コンパレータを使用したLC発振回路

通常、LC発振回路は(コルピッツ発振回路のように)トランジスタを使用してつくりますが、数100kHz程度であればコンパレータを使用してつくることもできます。 このページで解説する回路は、LM311を使用したLCメータの回路として知られています。


動作原理

図1(a)のように、ゲインAのアンプに抵抗RFを介して正帰還をかけると、この回路の入力抵抗Rinは次式のように負性抵抗となります。

Rin=viniin=RFA1

図1(b)は、コンパレータを使用して実現した負性抵抗にLCタンクを接続したもので、LCタンクの損失Rが負性抵抗で相殺されるため発振回路となります。

図1: コンパレータを使用したLC発振回路の原理

発振振幅

Voutはコンパレータ出力なので振幅VCCの方形波となります。この方形波をフーリエ級数展開したときの基本波成分(Vout端子の下の点線波形)の振幅は(4/π)×VCCです。一方、vpは並列共振回路の出力電圧なので正弦波となります。よって、このコンパレータの等価的なゲインAは

A=4πVCCvpの振幅

となります。vpの振幅が小さいうちはRとRinの合成抵抗(R||Rin)が負となってvpが成長しますが、vpが成長するとともにゲインAが低下し、合成抵抗R||Rin→∞ (|Rin|=R)となります。定常状態では|Rin|=Rと上の2式より

vpの振幅=4πVCC1+RFR

となります。

チャートの設定

基本設定
chart type grid tics ticslabel
chart title
chart area x y width height
font size
background color
grid color
tics color
text color
データ系列設定data
プロットするデータのラベルにチェックを入れてください。
 x y labelsymbolline color line width legend
軸設定
autoscalelog
xminxmaxxstep
xlabelxformat
 
autoscalelog
yminymaxystep
ylabelyformat
 
marker
.bat設定シミュレーション終了後に実行するバッチ処理を記述します。

チャートの設定

基本設定
chart type grid tics ticslabel
chart title
chart area x y width height
font size
background color
grid color
tics color
text color
データ系列設定data
プロットするデータのラベルにチェックを入れてください。
 x y labelsymbolline color line width legend
軸設定
autoscalelog
xminxmaxxstep
xlabelxformat
 
autoscalelog
yminymaxystep
ylabelyformat
 
marker
.bat設定シミュレーション終了後に実行するバッチ処理を記述します。
シミュレーション時間を短縮するため、vpの初期値は上のvpの振幅の式で計算した値としています。

プロパティ

ref
val
symbol

部品追加

部品を選択して[OK]で追加開始します。
回転は[R], 左右反転は[E], 上下反転は[RRE]

オプション

基本設定
show grid
show wire labels
wire width
wire color
text color
netlabel color
grid color
background color
.ini設定起動後に実行するバッチ処理を記述します。
.onload設定回路図ロード後に実行するバッチ処理を記述します。
.bat設定シミュレーション実行時のバッチ処理を記述します。

Open File

filename


リサイクル

ブラウザのキャッシュ領域(localStorage)に保存します。別タブ・別ウィンドウ間でデータの送受ができます。ブラウザを終了してもデータは消えません。

保存選択範囲のみ保存
開く現在の回路図に貼り付け
削除

コンパレータLM311を使用したLC発振回路

図2は電子工作でよく見かけるLC発振回路で、電源電圧は5V(単電源)です。C2はDCカット用、R1,R2によって発振中のvpの動作点をVCC/2=2.5Vとしています。LM311の出力はオープンコレクタなのでプルアップ抵抗R5を付けています。

LM311のマイナス入力(vn)は一定電圧とはしません。そうすると、Vout=VCCまたは0V一定でvpとvnの電圧が大きく離れたまま状態遷移しない(発振しない)モードになるからです。 C3,R4はスタートアップ回路(始動回路)としてふるまいます。たとえばVout=VCC, vp≫vnであっても、vnが徐々に増加してvp<vnとなってVoutの状態がVCC→0Vと遷移し、これが発振の種となって発振を開始します。 発振周波数に対してC3はショートとみなせるので、発振中のvnは一定電圧(2.5V)となります。

図2: コンパレータLM311を使用したLC発振回路