- 発行日 2023年7月26日
- 最終変更日 2023年8月29日
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電圧制御発振器ガイド
ジェイ・プロクター、テクニカルサポートチームリーダーによるレビュー（2023年3月）
電圧制御発振器（VCO）は、シンプルなタイマーから高度な周波数シンセサイザーまで、多くの電子システムで重要な役割を果たしています。これらのデバイスは、入力電圧に比例した出力信号を生成するため、汎用性が高く、幅広い電子アプリケーションに適応します。
このガイドでは、電圧制御発振器について包括的に説明します。基本的な回路設計、さまざまなタイプのVCO、そして電子回路での使用例も含まれています。
電圧制御発振器とは？
電圧制御発振器（VCO）は、入力電圧に比例した周波数の出力信号を生成する電子デバイスです。入力電圧は出力信号の周波数を制御するために使用されるため、VCOは出力信号の周波数を動的に調整する必要があるアプリケーションに最適です。VCOは、周波数合成、信号変調、パルス発生など、幅広い用途で一般的に使用されています。
VCOは、数キロヘルツから数ギガヘルツまで、幅広い周波数帯域で動作するように設計することができます。VCOの周波数範囲は通常、共振回路と増幅段に使用する部品によって決まります。VCOは、アプリケーションの要件に応じて、方形波、三角波、正弦波のいずれかを生成するように設計することもできます。
電圧制御発振器は、無線送受信機、レーダーシステム、無線通信システムなど、無線周波数（RF）およびマイクロ波アプリケーションで広く使用されている。また、マイクロコントローラーやデジタル・シグナル・プロセッサーなどの組込みシステムでも、タイミング合成や周波数合成に使用されています。
電圧制御発振器の回路設計
電圧制御発振器の基本設計は、通常、アンプで駆動される共振回路で構成される。共振回路（通常は同調LC回路またはRC回路）は出力信号を生成する。増幅器は出力信号を拡大し、より大きな出力電圧を生成します。
電圧制御発振器の重要な特徴の1つは、入力電圧と出力周波数の間に線形関係があることです。この関係は伝達関数で記述することができます。これは、入力電圧の変化に対して発振器の出力周波数がどのように変化するかを表す数式です。通常、伝達関数はメーカーにより指定され、与えられた入力電圧に対するVCOの出力周波数を予測するために使用されます。
オペアンプによる電圧制御発振器の使用例
電圧制御発振器を実装する最も一般的な方法の1つは、オペアンプを増幅部品として使用することである。オペアンプは集積回路の一種で、一般に高利得アンプとして使用される。
オペアンプを使った電圧制御発振器では、入力電圧はオペアンプの非反転入力に印加され、フィードバック・ネットワークは出力と反転入力の間に接続される。共振ネットワークは、出力周波数を決定するために調整される。このタイプの電圧制御発振器では、オペアンプは共振回路の出力信号を増幅するために使用される。
555タイマーによる電圧制御発振器の例
電圧制御発振器を実装するもう一つの一般的な方法は、555 タイマーをアンプ部品として使用することです。555タイマーは、電圧制御発振器を含む幅広いアプリケーションに使用できる、一般的で汎用性の高い集積回路です。
この構成では、トランジスタ・スイッチのオン時間とオフ時間を制御して出力信号を生成するために 555 タイマーを使用します。入力電圧は555タイマーの制御端子に印加され、共振ネットワークは出力と放電端子の間に接続される。出力周波数は入力電圧に比例し、共振ネットワークを調整して出力周波数を決定する。
電圧制御発振器チュートリアル
このセクションでは、電圧制御発振器の基本的な使い方について説明します。VCO 回路の設定には、次のような手順があります：
- 希望の出力周波数範囲と必要な入力電圧範囲を決定する。出力周波数範囲はアプ リ ケーシ ョ ンの要件に基づいて選択す る 必要があ り ます。入力電圧範囲は、VCO に印加 さ れ る 制御電圧の範囲によって決定されます。
- 希望する周波数範囲と入力電圧範囲に基づいて、適切な共振ネットワークを選択する。
- 入力電圧範囲と希望の出力信号レベルに基づいて増幅段を選択する
- 希望の出力信号レベルに基づいて出力段を選択する
- 共振ネットワーク、増幅段、出力段を接続し、完全なVCO回路を構成する
高調波発振器
ハーモニック・オシレーターとは、正弦波で振動するシステムのことで、出力信号が時間と共に周期的に繰り返し変化することを意味します。ハーモニックという用語は、発振の波形が単純な調和運動として表現できることを意味しています。
高調波発振器は、出力信号と入力電圧の間の単純な関係によって特徴付けられます。この関係では、出力信号の周波数は入力電圧の振幅に比例します。この関係から、高調波発振器は、周波数発生、信号変調、パルス発生など、幅広い用途に最適です。
多くの電子システムにおいて、高調波発振器は主要な周波数発生部品として重要な役割を果たしています。高調波発振器は、他の電子回路に安定した正確な出力信号を供給するために、電圧制御発振器と組み合わせて使用されることがよくあります。単純なタイマーを設計する場合でも、複雑な周波数シンセサイザーを設計する場合でも、高調波発振器の基礎を理解することは不可欠です。
線形高調波発振器
線形調和振動子は、正弦波で振動するシステムです。これらのシステムは通常、バネ・質量・ダンパーシステムで特徴付けられ、バネは復元力、質量は振動体、ダンパーは摩擦力を表します。
減衰振動
減衰振動とは、振動の振幅が時間の経過とともに減少する場合に発生する振動の一種です。このタイプの振動は、ダンパーや摩擦要素のような摩擦力を受ける物理的なシステムでよく見られます。
リラクゼーション・オシレーター
弛緩発振器はVCOの一種であり、2つの安定した状態間の単純なスイッチング・メカニズムを用いて発振信号を生成する。正弦波形を生成するハーモニック・オシレーターとは異なり、リラクセーション・オシレーターは方形または矩形の波形を生成する。弛緩発振器は、タイミングやパルス発生用の電子回路でよく使用される。また、タイマー、発振器、スイッチなどの用途でもよく見られる。
弛緩発振器の基本コンポーネントは、増幅段、コンパレータ、コンデンサである。増幅段は入力信号を増幅し、コンパレータを駆動するために使用され、コンパレータは入力信号を基準電圧と比較する。入力信号が基準電圧を超えると、コンパレータは出力状態を切り替え、コンデンサを充電または放電する。
コンデンサが充電または放電すると、その電圧が変化し、コンパレータへの入力信号が変化し、コンパレータの出力状態が切り替わる。このプロセスが連続的に繰り返され、コンパレータの出力に発振信号が発生する。発振信号の周波数は、スイッチング素子の時定数に依存する。発振の振幅は入力電圧の大きさに比例する。
リラクセーション発振器は、設計や実装が比較的簡単であるため、多くの用途でよく使われる。しかし、高調波発振器と比較すると、周波数安定度やスペクトル純度が低いなどの欠点がある。さらに、弛緩発振器によって生成される波形は純粋な正弦波ではないため、アプリケーションによっては使用が制限される場合があります。
最も一般的に使用されているリラクセーション・オシレーターの1つは、再生スイッチング回路であるアステーブル・マルチバイブレーターである。これは、シンプルで信頼性が高く、一定の方形波出力で構成しやすいからです。