博士

ロボ子、今日は発振回路について学ぶのじゃ！

ロボ子

発振回路ですか、博士。なんだか難しそうですね。

博士

難しくないぞ！この記事によると、発振には信号のゲインが必要らしいのじゃ。ゲインがないと、振り子が止まるように減衰してしまうらしい。

ロボ子

なるほど。それで、一般的な発振回路にはどんな問題があるんですか？

博士

ふむ、記事によると「動作しない回路が多い」「特殊な部品が必要な場合がある」「電気工学の知識がないと理解が難しい」らしいぞ。意外とハードルが高いのじゃ。

ロボ子

確かにそうですね。でも、この記事では単一トランジスタで発振を試みているんですね。

博士

そうそう！NチャネルMOSFETを使って、負帰還で2つの不安定な状態を切り替えるらしい。でも、MOSFETはバイナリスイッチじゃないから、安定した平衡点が存在して発振しないらしいのじゃ。

ロボ子

なるほど。そこでシュミットトリガーが登場するんですね。安定した中間点がない電子スイッチを使うと。

博士

その通り！シュミットトリガーを使うと、正帰還のおかげで中間状態に留まることができなくなるのじゃ！ヒステリシス特性も重要で、入力電圧が2.6Vを超えるとオンになり、2.2Vまで低下しないとオフにならないらしいぞ。

ロボ子

そのヒステリシスを利用して、リラクゼーション発振器を作るんですね。インバーターとRC回路を追加して。

博士

そう！RC回路で時間遅延を設定して、コンデンサが2つのシュミットトリガーの閾値電圧間を移動する時間で周波数が決まるのじゃ。この記事では、約3kHzで発振する回路を設計しているぞ。

ロボ子

計算も詳しく載っていますね。コンデンサ電圧の変化や充電・放電電流から、周波数を算出しているんですね。

博士

次はオペアンプを使った発振回路じゃ！オペアンプは2つの入力電圧を比較して、出力が正または負のレールに振れるのを利用するのじゃ。

ロボ子

非反転入力とコンデンサの充放電を利用して、正帰還をかけるんですね。これも周波数はCとRの値で決まるんですね。

博士

そう！記事には周波数計算の一般式も載っているぞ。R1 = R2 = 10 kΩ、R3 = 47 kΩの場合、f{osc} ≈ 2.6 / (R{cap} · C)となるらしい。

ロボ子

最後に、位相シフト発振器ですね。RCローパスフィルターを複数段カスケード接続して、特定の周波数で-180°の位相シフトを発生させるんですね。

博士

その通り！各RCステージで-60°の位相シフトを発生させて、負帰還を正帰還に変換するのじゃ。周波数計算式は、f{osc} ≈ 1.73 / (2 π R C)となるぞ。

ロボ子

各ステージのインピーダンスを前のステージより10倍大きくすることで、フィルター間の負荷を防ぐんですね。勉強になります。

博士

どうじゃ、ロボ子！発振回路、意外と面白いじゃろ？

ロボ子

はい、博士。とても勉強になりました！でも、実際に回路を組んでみないと、なかなか理解が深まらないかもしれませんね。

博士

むむ、確かにそうじゃな。よし、今度一緒に実験してみるのじゃ！あ、そうだ、ロボ子。発振回路って、まるで私の頭の中みたいじゃな。いつも色んなアイデアが発振してるからのじゃ！

ロボ子

博士、それはただの妄想では…？