図5 図4のシミュレーション結果 20kΩのとき正弦波の発振波形となる. 図4 の回路で過渡解析の時間を2秒まで増やしたシミュレーション結果が 図6 です.このように長い時間でみると,発振は収束しています.原因は,先ほどの計算において,OPアンプを理想としているためです.非反転増幅器のゲインを微調整して,正弦波の発振を継続するのは意外と難しいため,回路の工夫が必要となります.この対策回路はいろいろなものがありますが,ここでは非反転増幅器のゲインを自動で調整する例について解説します. 図6 R 4 が20kΩで2秒までシミュレーションした結果 長い時間でみると,発振は収束している. ●AGC付きウィーン・ブリッジ発振回路 図7 は,ウィーン・ブリッジ発振回路のゲインを,発振出力の振幅を検知して自動でコントロールするAGC(Auto Gain Control)付きウィーン・ブリッジ発振回路の例です.ここでは動作が理解しやすいシンプルなものを選びました. 図4 と 図7 の回路を比較すると, 図7 は新たにQ 1 ,D 1 ,R 5 ,C 3 を追加しています.Q 1 はNチャネルのJFET(Junction Field Effect Transistor)で,V GS が0Vのときドレイン電流が最大で,V GS の負電圧が大きくなるほど(V GS <0V)ドレイン電流は小さくなります.このドレイン電流の変化は,ドレイン-ソース間の抵抗値(R DS)の変化にみえます.したがって非反転増幅器のゲイン(G)は「1+R 4 /(R 3 +R DS)」となります.Q 1 のゲート電圧は,D 1 ,R 5 ,C 3 により,発振出力を半坡整流し平滑した負の電圧です.これにより,発振振幅が小さなときは,Q 1 のR DS は小さく,非反転増幅器のゲインは「G>3」となって発振が早く成長するようになり,反対に発振振幅が成長して大きくなると,R DS が大きくなり,非反転増幅器のゲインが下がりAGCとして動作します. 図7 AGC付きウィーン・ブリッジ発振回路 ●AGC付きウィーン・ブリッジ発振回路の動作をシミュレーションで確かめる 図8 は, 図7 のシミュレーション結果で,ウィーン・ブリッジ発振回路の発振出力とQ 1 のドレイン-ソース間の抵抗値とQ 1 のゲート電圧をプロットしました.発振出力振幅が小さいときは,Q 1 のゲート電圧は0V付近にあり,Q 1 は電流を流すことから,ドレイン-ソース間の抵抗R DS は約50Ωです.この状態の非反転増幅器のゲイン(G)は「1+10kΩ/4.
■問題 発振回路 ― 中級 図1 は,AGC(Auto Gain Control)付きのウィーン・ブリッジ発振回路です.この回路は発振が成長して落ち着くと,正側と負側の発振振幅が一定になります.そこで,発振振幅が一定を表す式は,次の(a)~(d)のうちどれでしょうか. 図1 AGC付きウィーン・ブリッジ発振回路 Q 1 はNチャネルJFET. (a) ±(V GS -V D1) (b) ±V D1 (c) ±(1+R 2 /R 1)V D1 (d) ±(1+R 2 /(R 1 +R DS))V D1 ここで,V GS :Q 1 のゲート・ソース電圧,V D1 :D 1 の順方向電圧,R DS :Q 1 のドレイン・ソース間の抵抗 ■ヒント 図1 のD 1 は,OUTの電圧が負になったときダイオードがONとなるスイッチです.D 1 がONのときのOUTの電圧を検討すると分かります. ■解答 図1 は,LTspice EducationalフォルダにあるAGC付きウィーン・ブリッジ発振回路です.この発振回路は,Q 1 のゲート・ソース電圧によりドレイン・ソース間の抵抗が変化して発振を成長させたり抑制したりします.また,AGCにより,Q 1 のゲート・ソース電圧をコントロールして発振を継続するために適したゲインへ自動調整します.発振が落ち着いたときのQ 1 のゲート・ソース電圧は,コンデンサ(C 3)で保持され,ドレイン・ソース間の抵抗は一定になります. 負側の発振振幅の最大値は,ダイオード(D 1)がONしたときで,Q 1 のゲート・ソース間電圧からD 1 の順方向電圧を減じた「V GS -V D1 」となります.正側の発振振幅の最大値は,D 1 がOFFのときです.しかし,C 3 によりQ 1 のゲート・ソース間は保持され,発振を継続するために適したゲインと最大振幅の条件を保っています.この動作により正側の発振振幅の最大値は負側の最大値の極性が変わった「-(V GS -V D1)」となります.以上より,発振が落ち着いたときの振幅は,(a) ±(V GS -V D1)となります. ●ウィーン・ブリッジ発振回路について 図2 は,ウィーン・ブリッジ発振回路の原理図を示します.ウィーン・ブリッジ発振回路は,コンデンサ(C)と抵抗(R)からなるバンド・パス・フィルタ(BPF)とG倍のゲインを持つアンプで正帰還ループを構成した発振回路となります.
図2 (a)発振回路のブロック図 (b)ウィーン・ブリッジ発振回路の等価回路図 ●ウィーン・ブリッジ発振回路の発振周波数と非反転増幅器のゲインを計算する 解答では,具体的なインピーダンス値を使って求めましたが,ここでは一般式を用いて解説します. 図2(b) のウィーン・ブリッジ発振回路の等価回路図で,正帰還側の帰還率β(jω)は,RC直列回路のインピーダンス「Z a =R+1/jωC」と.RC並列回路のインピーダンス「Z b =R/(1+jωCR)」より,式7となり,整理すると式8となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・(7) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8) β(jω)の周波数特性を 図3 に示します. 図3 R=10kΩ,C=0. 01μFのβ(jω)周波数特性 中心周波数のゲインが1/3倍,位相が0° 帰還率β(jω)は,「ハイ・パス・フィルタ(HPF)」と「ロー・パス・フィルタ(LPF)」を組み合わせた「バンド・パス・フィルタ(BPF)」としての働きがあります.BPFの中心周波数より十分低い周波数の位相は,+90°であり,十分高い周波数の位相は-90°です.この間を周波数に応じて位相シフトします.式7において,BPFの中心周波数(ω)が「1/CR」のときの位相を確かめると,虚数部がゼロになり,ゆえに位相は0°となります.このときの帰還率のゲインは「|β(jω)|=1/3」となります.これは 図3 でも確認できます.また,発振させるためには「|G(jω)β(jω)|=1」が条件ですので,式6のように「G=3」が必要であることも分かります. 以上の特性を持つBPFが正帰還ループに入るため,ウィーン・ブリッジ発振器は「|G(jω)β(jω)|=1」かつ,位相が0°となるBPFの中心周波数(ω)が「1/CR」で発振します.また,ωは2πfなので「f=1/2πCR」となります. ●ウィーン・ブリッジ発振回路をLTspiceで確かめる 図4 は, 図1 のウィーン・ブリッジ発振回路をシミュレーションする回路で,R 4 の抵抗値を変数にし「. stepコマンド」で10kΩ,20kΩ,30kΩ,40kΩを切り替えています. 図4 図1をシミュレーションする回路 R 4 の抵抗値を変数にし,4種類の抵抗値でシミュレーションする 図5 は, 図4 のシミュレーション結果です.10kΩのときは非反転増幅器のゲイン(G)は2倍ですので「|G(jω)β(jω)|<1」となり,発振は成長しません.20kΩのときは「|G(jω)β(jω)|=1」であり,正弦波の発振波形となります.30kΩ,40kΩのときは「|G(jω)β(jω)|>1」となり,正帰還量が多いため,発振は成長し続けやがて,OPアンプの最大出力電圧で制限がかかり波形は歪みます.
(b)20kΩ 図1 のウィーン・ブリッジ発振回路が発振するためには,正帰還のループ・ゲインが1倍のときです.ループ・ゲインは帰還率(β)と非反転増幅器のゲイン(G)の積となります.|Gβ|=1とする非反転増幅器のゲインを求め,R 3 は10kΩと決まっていますので,非反転増幅器のゲインの式よりR 4 を計算すれば求まります.まず, 図1 の抵抗(R 1 ,R 2 )が10kΩ,コンデンサ(C 1 ,C 2 )が0. 01μFを用い,周波数(ω)が「1/CR=10000rad/s」でのRC直列回路とRC並列回路のインピーダンスを計算し,|β(s)|を求めます. R 1 とC 1 のRC直列回路のインピーダンスZ a は,式1であり,その値は式2となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) 次にR 2 とC 2 のRC並列回路のインピーダンスZ b は式3であり,その値は式4となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4) 帰還率βは,|Z a |と|Z b |より,式5となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5) 式5より「ω=10000rad/s」のときの帰還率は「|β|=1/3」となり,減衰しています.したがって,|Gβ|=1とするには,式6の非反転増幅器のゲインが必要となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6) 式6でR 3 は10kΩであることから,R 4 が20kΩとなります. ■解説 ●正帰還の発振回路はループ・ゲインと位相が重要 図2(a) は発振回路のブロック図で, 図2(b) がウィーン・ブリッジ発振回路の等価回路図です.正帰還を使う発振回路は,正帰還ループのループ・ゲインと位相が重要です. 図2(a) で正弦波の発振を持続させるためには,ループ・ゲインが1倍で,位相が0°の場合,正弦波の発振条件になるからです. 図2(a) の帰還率β(jω)の具体的な回路が, 図2(b) のRC直列回路とRC並列回路に相当します.また,Gのゲインを持つ増幅器は, 図1 のOPアンプとR 3 ,R 4 からなる非反転増幅器です.このようにウィーン・ブリッジ発振回路は,正弦波出力となるように正帰還を調整した発振回路です.
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