Oscillator

A device that continuously extracts AC electrical energy of a required frequency from DC electrical energy. In amplifiers such as electron tubes and transistors, when there is no AC input signal to the control grid or base electrode, only noise is generated in the output circuit. Suppose a resonant circuit consisting of a coil and a capacitor is provided in the input circuit of these amplifiers, and it is connected so that part of the output is returned to the input circuit. When DC power is supplied to this circuit, a small amount of noise is generated in the output circuit, and part of it is fed back to the input circuit. Then, only the component of the noise component equal to the resonant frequency enters the amplifier circuit, is amplified, and appears in the output. This phenomenon of part of the output being fed back to the input circuit again is repeated, and as a result, the power increases and the amount of feedback also increases. If this increases further, the amplifier element will reach saturation, but before that, the amount of feedback decreases and it stabilizes at a certain level. This phenomenon occurs the moment the power supply is connected to the circuit, and since an AC output is obtained even though there is no AC input signal, part of the energy of the DC power supply supplied to the circuit has been converted into AC electrical energy. This phenomenon is called oscillation, and such a circuit is called an oscillator.

The oscillation frequency of an oscillator is the frequency at which the phase difference between the output voltage and the fed-back input voltage is 180 degrees. When this condition is satisfied, the oscillator starts up very stably. An oscillator can be thought of as a circuit in which a kind of filter called a resonant circuit is inserted into the feedback circuit of a positive feedback (returning part of the amplified signal to the input) amplifier to make the oscillation frequency constant. Specifically, there are Hartley circuits and Colpitts circuits, and a crystal oscillator is one in which the filter part is replaced with a crystal piece. Crystal oscillators are used in devices that require accuracy because of their high oscillation frequency accuracy. When you want to use a crystal oscillator to oscillate at very high frequencies, you can use a special cut to create a harmonic oscillation (overtone). Up to about 1000 megahertz, this is often multiplied by a varactor (a dedicated variable capacitance diode). For oscillators of several thousand megahertz, such as those used in satellite communications and radar, klystrons (velocity modulation tubes), traveling wave tubes, magnetrons, Gunn diodes, etc. are used depending on the application. The stability of these oscillators is not necessarily good, so an AFC (automatic frequency control) circuit is sometimes used to stabilize them compared to crystal oscillators. A multivibrator is an oscillator circuit often used in digital circuits. This circuit uses two transistors connected to each other to alternately turn on and off, and differs from previous oscillators in that the output waveform is a square wave. A variation of this circuit is the flip-flop circuit, which has the property of dividing the frequency by two, and can be combined to form a group of circuits that can divide the frequency by any number of times. By combining this group of circuits with multipliers, filters, mixers, etc., there is a device that can generate any frequency required for the device based on the oscillation frequency of a single stable crystal oscillator. This device is called a frequency synthesizer. Frequency synthesizers are useful for creating systems that require many precise frequencies. They have come to be used in many communication devices as oscillators built into transmitters and receivers.

A special type of oscillator is the voltage controlled oscillator (VCO), which has the advantage that its oscillation frequency can be controlled by a DC voltage and is used for AFC and demodulation of frequency modulation.

[Iwao Ishijima]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

直流の電気エネルギーから持続的に必要な周波数の交流の電気エネルギーを取り出す装置。電子管やトランジスタなどの増幅器では、制御格子やベース電極に交流入力信号がないときは出力回路には雑音だけが出ている。これらの増幅器の入力回路にコイルとコンデンサーとからなる共振回路を設けておき、出力の一部を入力回路に戻してやるように接続しておくとする。この回路に直流電源を供給すると出力回路に小さな雑音が発生し、その一部が入力回路にフィードバックされる。そして雑音成分のなかに含まれる共振周波数に等しい成分だけが増幅回路に入って増幅され、出力に現れる。この出力の一部が再度入力回路にフィードバックされるような現象を繰り返す結果その電力が大きくなり、フィードバック量も増大してゆく。これがさらに増大してゆくと増幅素子が飽和に達するが、その前にフィードバック量が減少してくるから一定のレベルで安定する。この現象は、回路に電源を接続する瞬間に発生するもので、交流入力信号がないにもかかわらず交流出力が得られるから、回路に供給した直流電源のエネルギーの一部が交流の電気エネルギーに変換されたことになる。この現象を発振とよび、このような回路を発振器とよぶ。

　発振器の発振周波数は、出力電圧とフィードバックされた入力電圧との位相差が180度になる周波数である。この条件が満足されると、非常に安定に起動する発振器となる。発振器は、正帰還（増幅した信号の一部を入力に戻す）増幅器の帰還回路中に共振回路という一種のフィルターを挿入して、発振する周波数が一定になるようにした回路と考えることができる。具体的には、ハートレー回路、コルピッツ回路などがあり、フィルター部分を水晶片と置き換えたものが水晶発振器である。水晶発振器は発振周波数確度がよいために確度が必要な装置に使用される。水晶発振器で超短波の発振をさせたいときは、特別のカットで高調波発振（オーバートーン）させる。1000メガヘルツ程度までは、これをバラクター（専用の可変容量ダイオード）で逓倍(ていばい)して用いることが多い。衛星通信やレーダーなど数千メガヘルツの発振器には、クライストロン（速度変調管）、進行波管、マグネトロン、ガンダイオードなどが用途に応じて用いられる。これらの発振器の安定度はかならずしもよいものばかりではないから、AFC（自動周波数制御）回路を用いて水晶発振器などと比較し安定化することもある。デジタル回路によく用いられるものにマルチバイブレーターという発振回路がある。この回路は2個のトランジスタを対象に接続して交互にオン・オフをさせる方法の発振器で、出力波形が矩形(くけい)波である点がいままでの発振器と異なっている。この回路の変形としてフリップフロップ回路があって、周波数を2分の1にする性質があり、これを組み合わせて何分の1にでもできる回路群が形成できる。この回路群と逓倍器、濾波(ろは)器、混合器などを組み合わせて、1個の安定な水晶発振器の発振周波数を基に、その装置に必要などんな周波数でも発生させる装置があり、これを周波数シンセサイザーという。周波数シンセサイザーは、たくさんの正確な周波数を必要とするシステムをつくるのに都合がよい。送信機、受信機に内蔵される発振器として多くの通信装置に使用されるようになった。

　特殊な発振器として電圧制御発振器voltage controlled oscillator（VCO）がある。この発振器は発振周波数を直流電圧によって制御できるのが特徴で、AFCや周波数変調の復調に応用される。

［石島　巖］

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