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充放電による発振回路

　OPアンプを使った発振回路では、キャパシタの電荷を
　充放電させて実現しています。

　電荷の充電と放電のメカニズムがどうなっているか
　見ていき、動作を理解していきます。

　発振回路は、以下。



　帰還部分の抵抗とキャパシタに動作に注目。

　電荷充電

　　電荷を充電する場合、次の回路になります。




　　電荷ＱがOPアンプの出力ピンからキャパシタに移動
　　していきます。電荷Ｑは、OPアンプの電源から内部
　　の回路を経て、供給されてきます。

　　電荷Ｑの移動は、キャパシタの電圧がVoutと同じに
　　なるまで続きます。

　　抵抗は電流を流れにくくする素子。電荷Ｑの時間変化が
　　電流と定義されているので、電流を流れにくくすること
　　と電荷Ｑの移動しにくさは比例。

　　電荷Ｑの移動しにくさが、キャパシタの電圧がVoutと同じに
　　なるまでの時間に関係するので、時定数というパラメータを
　　導入して判断できるようにしています。

　　時定数は、抵抗と静電容量の積が定義。

　　グラフでみると、時定数は次のようになります。




　　ステップ電圧を与えたときに、その電圧の63.2%に
　　到達するまでの時間が時定数。

　　10kΩ、0.1uFとしてみると、時定数は1ms。

　電荷放電

　　電荷を放電する場合、次の回路になります。




　　キャパシタから電圧Ｑが移動しますが、OPアンプの
　　出力は0Vより低い電圧になっているのがミソ。

　　OPアンプはコンパレータで動いていると見れば
　　OPアンプの出力ピンの電位が0Vより低くなると
　　わかります。




　　発振回路では、比較電圧を出力ピンからもって
　　くるので、コンパレータは出力を確実に0Vより
　　低くします。

　　10kΩ、0.1uFとしてみると、時定数は1ms。

　充放電により、1ms+1ms=2msが変化の周期となるので
　500Hz程度の周波数になると見積もれます。

　発振回路を組み上げて動作を調べてみます。
　次のアナログコンピュータ基板を利用。




　抵抗、キャパシタはブレッドボードに組上げて
　ワイヤーでプログラミングします。

　アナログコンピュータには、OPアンプがたくさん
　並んでいるので、ある現象をシミュレートする時
　は、ワイヤーで各デイバスを結線し、回路を実現
　します。（これがコンピュータと呼ばれる由縁）

　アナログコンピュータ基板には、分周IC(4024)と
　BCDデコーダ(4028)を載せているので、500Hzは
　64分周し、LEDの点滅で発振を確認できます。

　OPアンプは、正負電源で動かすことが広く普及した常識
　でしたが、21世紀では単電源で動かせるデバイスが出て
　きたので、発振回路も、単電源で動かす工夫をします。

　正負電源を利用したときは、0Vを基準にしていました。
　電源電圧の半分を基準にします。




　単電源で使えるOPアンプとしては、１パッケージに４個のOPアンプを
　含んだLM324があります。このタイプでは、出力は電源電圧から1.5V
　ほど低くなるので、基準電圧を(Vcc-1.5)/2になるようにします。

　１パッケージに１個のOPアンプを使っての実験は
　次のアナログコンピュータ基板を利用。



　１パッケージに２個のOPアンプを使った発振回路の
　基板を半田付けすると、次のようになります。




　OPアンプが不良か否かをテストするには
　発振器と電圧フォロワを使えば簡単。

　ブレッドボードに組み上げると、以下。



　可変抵抗器で周波数を変えて、スピーカを
　鳴らすために電圧フォロワを使ってます。
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