４０６６発振回路

　アナログスイッチを使用した発振回路です。実験の結果、アナログスイッチによるセラミック/水晶発振が可能であることが確認できました。（ＳＳＢ検波用に発振回路とＭＩＸ回路をアナログスイッチＩＣ１個でできないかと考えたのが発端です。）

動作説明

　通常のインバータICを使用した発振回路例を図１−１（a)に示します。　同図(b)はアナログスイッチを使用した回路例であり、図１−１(a)の回路と論理的に等価となっています。

図１−１　発振回路

Ｒ２はアナログスイッチＯＦＦ時、出力’Ｈ’確定のためのプルアップ抵抗です。 　制御入力ＰＩＮ（ＩＣ１�DＰＩＮ）’Ｈ’の時アナログスイッチがＯＮとなり、アナログ入力ＰＩＮ（ＩＣ１�BＰＩＮ）の’Ｌ’はスイッチを通して’Ｌ’出力（ＩＣ１�CＰＩＮ）されます。つまり、（制御）入力’Ｈ’で出力’Ｌ’となります。 制御入力ＰＩＮ’Ｌ’（ＩＣ１�DＰＩＮ）の時アナログスイッチはＯＦＦとなります。この時、出力（ＩＣ１�CＰＩＮ）は抵抗Ｒ2により’Ｈ’となります。つまり、（制御）入力’Ｌ’で出力’Ｈ’となります。 以上により、図1-1(b)は、同図(a)のインバータによる発振回路と論理上同等の回路となります。

発振の確認

右図の回路により発振の確認を行いました。Ｃ，Ｒ定数はＲ３およびＲ４を除き、「定本　発振回路の設計と応用」を参考にし、カットアンドトライで決めています。 　結果、下表の通り、公称周波数付近で安定に発振することを確認しました。＋2.5V以下では発振停止します。 　この他、波形の確認および電源ON/OFF試験を行いましたが、波形の崩れや異常発振等の発生はありませんでした。 　　　　　　　　表２−１　電源変動（ＨＣ４０６６） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（R2=5.1k、R3=1k）  項目 電源変動    ＋５．５V ＋５V   ＋２．５V  発振 周波数  ４５５．０２８ｋHz  ４５５．０２４ｋHz  ４５４．９３４ｋHz

図２-１ 発振調査回路（ＨＣ４０６６）

バッファのプルアップ抵抗R4の影響

　今回の図２−１の調査回路には、発振回路の出力にバッファとしてアナログスイッチの空きスイッチを使用しています。このバッファ出力「OUT」における波形を観測すると、立ち上がりが他のCMOSロジックICの場合に比べて異常な程鈍いことに気が付きました。プローブや周波数測定のための同軸ケーブル等の負荷容量が影響しています。当初R4＝１０ｋでしたが、これを１ｋにするとかなり立ち上がりが改善します。R４＝１０ｋΩおよびR4=１ｋΩの測定波形を下図に示します。何れも、負荷容量は実測時に使用した７５Ω同軸ケーブル約１．５ｍの静電容量と同程度の１００ｐFとしました。

　原因を調べてみました。負荷容量やR4の大小で波形が変わることから出力回路の違いによるものと考え、等価回路を描いてみました。下図に等価回路を示します。比較のために同図(a)にC−MOSインバータHC04を載せています。図中、小さな枠で囲った部分はスイッチで実際はFETです。特に、HC04のPおよびNは、それぞれ、PおよびNチャネルMOS　FETでコンプリメンタリー出力となっています。（C-MOSのCはComplementaryのCです。）図ではこの２つのFETのON抵抗を省略しています。

　図3-2(a)HC04は入力A点をR1でプルアップしていますので、出力は”L"となり、A点をグランドへ落とすと出力はスイッチPを通して”H"となります。”L"から”H"への切り替わりはP,Nのスイッチング速度に依存し、高速に切り替わります。この時のY点の立ち上がり特性は外部のCとP　MOS　FETのON抵抗による時定数で決まりますが、ON抵抗は非常に小さな値であるため高速に立ち上がります。

　一方、同図(b)HC4066は、入力Eが”H"で内部スイッチがONとなり、アナログ入力Yが”L"のため出力Zは”L"となります。（ON抵抗とR2による電流により、多少グランドレベルより上がります。）Eをグランドへ落とすと内部スイッチはオフとなり、出力Zは”L"から”H"へ立ち上がろうとしますが、Cが存在することにより、充電しながら立ち上がります。その時間はR2とCの時定数によって決まります。R2が小さい程時定数は小となり立ち上がりが早くなります。

　波形の鈍り具合いを計算値と実測値で一致するか確認してみます。図(b)の回路の出力電圧は

　　　ｅ_out=V・(1-ｅ^-t/CR2)

　R₂＝１０ｋΩ、C=１００pF、V=5V、ｔ＝1.1１μs（実測値。図3-1(a)参照。）

　　　ｅ_out=V・(1-ｅ^-t/CR2)＝３．４[V]

　図3-1（a)では約３．２Vですが、ほぼ一致しているとみて良いと思います。５Vまで立ち上がっていないことが分かります。

　次に、R₂＝１ｋΩ、C=１００pF、V=5Vとして、９０％立ち上がり点の時間ｔ’は

　　　ｔ’＝-C・R₂・ｌｎ（１-ｅ_out/V)＝２３０ns

　実測値は約２４８μｓ（図3-2（ｂ）参照。）ですが、ほぼ一致しているとみて良いと思います。

　以上から原因は、アナログスイッチ出力回路のプルアップ抵抗が大き過ぎるためであることが確認できました。

　上の結果から、波形の立ち上がり改善のために、プルアップ抵抗R4は１ｋΩを使用することにしました。

R4=1kΩ

発振回路のプルアップ抵抗R3の影響

 上述の調査中、アナログスイッチ出力確定用に設けたプルアップ抵抗R3と異常発振防止用抵抗R2の値が発振周波数に影響していることが分かりましたので、影響具合を調査しました。 

　下表にR3＝１ｋΩ、９ｋΩ及び１７ｋΩの時の発振状態を示します。表中のR3＝１７ｋΩ以上では１００Hz代の周波数が変動し、セラミック発振モードから外れている様ですので測定していません。又、「出力波形」写真上段は、「OUT」における波形、下段はIC1のPIN2をオシロで測定した波形です。下段の波形はオシロのプローブ接続による１０ｐＦの影響が多少ありますが、無視しています。

表4-1 プルアップ抵抗R3と発振状態（ＨＣ４０６６）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（R２＝5.1kΩ固定）

項目	発振回路出力確定用プルアップ抵抗R3
	1kΩ	9kΩ	17kΩ
発振 周波数	４５５．０24ｋHz	４５４．８９１ｋHz	４５４．８２２ｋHz
出力 波形

　出力波形を見ると、Ｒ３が１ｋΩに近い程矩形波に近づき、R３が大きい程立ち上がり波形が鈍ると共にピークレベルが下がります。セラミック発振モードから外れるのはこのハイレベルがスレッショールドレベル付近に来るためです。

　下図にR3対出力周波数特性を示します。R3＝７ｋΩ辺りまで急峻な変化を示しています。R3＝１ｋΩから大きい程周波数変化は小さくなりますが、上表の通り、大きい程波形の鈍りが大きくなります。

図4-1 R3　対　発振周波数（ＨＣ４０６６）

　ここまでの実験で得られた情報より、R3を決定するための検討を行います。

　出力波形を見ると、R3は１ｋΩへ近い程鈍りが少なく、また、電源ON,OFFによる起動動作を観測すると、感覚的にはR3が１ｋΩに近い程しっかりとしているように感じました。これらの理由から、R3=1ｋΩとしたいところです。

　しかし、R3=1ｋΩにおける周波数変化が最も大きいことが分かりましたので、1ｋΩの時の抵抗値変動による発振周波数への影響について検討しました。
　抵抗値の変化は経年変化と温度変動がありますが、ここではもっとも変動が大きい温度変動による影響を調べることにします。

　R3=１ｋ、温度変動２０℃の時の発振周波数の変動率を実測値を元に計算してみます。
　
　図4−1のデータより、R3=１ｋから３ｋまでの２ｋΩの増加に対して周波数変動は（４５５．００９ｋHz−４５４．９４０ｋHz）＝３．４５ｋHzなので、１Ω当たりの周波数変動は

　　　　　１Ω当たりの周波数変動＝（４５５．００９ｋHz−４５４．９４０ｋHz）/2ｋΩ＝３．４５×１０^-2[Hz/Ω]

R3の温度係数を±200ppm/℃とすると、

　　　　　温度変動２０℃時のR3（=１ｋΩ）の変動分＝１ｋΩ×２００ppm/℃×２０℃＝４[Ω]

この４Ω変動に対する周波数変動は

　　　　　周波数変動＝（１Ω当たりの周波数変動）×（温度変動２０℃時のR3（=１ｋΩ）の変動分）
　　　　　　　　　　　　　＝３．４５×１０^-2Hz/Ω×４Ω＝０．１３８[Hz]

　以上、２０℃の温度変動に対して０．２Hz以下の周波数変動ということが分かりました。（思った程の大きな値ではなく、多少拍子抜けしました。）

　この結果により、影響は無視できる値と判断し、R3は１ｋΩを使用することとします。

R3=１ｋΩ

（抵抗値の変化による発振周波数の変化は発振周波数の変動要因の一つとなるため良いことではありませんが、逆の発想から、コンデンサの値を変更すること無く、抵抗R3の値を変えることで発振周波数をある程度調整することができるメリットと考える事もできます。例えば、上表の実測データによれば、R3を１ｋΩから２ｋΩへ変えることで約３０Hz下げることができます。）

異常発振防止用抵抗R2の影響

　ここでは、R2の発振周波数への影響について測定した結果を下図に示します。

　図のR3=1kΩのカーブのR2=1ｋΩは異常発振のため記載していません。これは、発振周波数が456kHz付近を超えて不安定になったためと思われます。
　２つのカーブが図4-1から得られる値と一致するか調べてみます。例えば、図5-1のR2＝5ｋΩ付近の２つのカーブ差が約１５０Hzあります。一方、図4-1はR2＝5.1ｋΩの時のR3変化時のカーブですからR3＝1ｋΩから9.1ｋΩ変化時の周波数差を見ると約１５０Hzであり、図5-1から得られる約１５０Hzとほぼ一致していることが分かります。

　図5-1のカーブは図4-1のR3と同様、R2=１ｋΩに近づく程変化が大きいですが、例えばR3=9.1kのカーブにおけるR2＝1ｋΩの周波数変動は先のR3の値から高々２倍程度ですので問題はなく、5.1ｋΩとすると更に安定することが分かります。

　以上により、R2の値はこれまでの実験で使用してきた値の5.1ｋΩを使用することとします。

図7-1　４５５ｋHzセラミック発振回路

図7-2の４MHz前後の発振回路は、ダブルスーパのSSB復調用局部発振に使用する予定です。

　アナログスッチを使用したセラミック/水晶発振子による発振回路について紹介しました。　
　上述の４５５ｋHｚセラミック発振回路をSSB復調の局発として使用する場合には、発振周波数を±１．５ｋHz程度変更する必要があります。この調査については「4066局発回路」を参照下さい。