コルピッツ発振器の理解：設計、用途、メリット

コルピッツ発振器はリニア発振器であり、多くのLC発振器の1つです。重要なのは、この発振器がコンデンサ(C)とインダクタ(L)の機能的統一を利用するため、LC発振器と呼ばれます。

本記事では、コルピッツ発振器、その利点、用途などについて説明します。また、ニーズに合った適切なコルピッツ発振器接続を学習・判断するのに役立ちます。

1. コルピッツ発振器とは

コルピッツ発振器は電子発振器です。重要なのは、この発振器がインダクタとコンデンサを使用し、LC回路に寄与することです。

この発振器の動作には、トランジスタ、オペアンプ、FET、真空管が使用されます。また、多くの用途と利点を持つ電気調波発振器です。

この発振器の設計はハートレー発振器と似ています。しかし、決定的な違いはコルピッツ発振器がタンク回路を含むのに対し、ハートレー発振器にはないことです。

注：

発振器には非線形発振器と線形発振器の2種類があります。非線形発振器は非正弦波出力波形（非線形）を生成。一方、コルピッツ発振器のような線形発振器は、線形または正弦波を生成します。

（マザーボード上の発振器技術）

2. 基本コルピッツ発振器回路と動作原理

• コルピッツ理論

この発振器の理論は、直列接続された2つのコンデンサが並列接続されたインダクタに接続されていることです。この電気部品の配置により共振タンク回路が形成されます。コンデンサとインダクタの組み合わせにより並列LC共振回路となり、これらのコンデンサとインダクタから得られる値が発振周波数を決定します。

コルピッツ発振器の発明は、無線周波数を用いて高い線形発振周波数を生成する必要性から生まれました。

追加のヒント

コルピッツ発振器はハートレー発振器と設計が似ているため、ハートレー発振器の電気的双対と呼ばれることがあります。しかし、タンク回路の有無が2つの発振器設計の唯一の差別化要因です。動作の違いは、ハートレーが発振インダクタンスを使用するのに対し、コルピッツが発振キャパシタンスを使用することです。

（LC発振器回路）

• コルピッツ発振器回路

（コルピッツ発振器回路図）

正弦波を生成する発振器回路では、LC共振回路の存在が必須です。ただし、RC発振器のようにLC共振を必要としない例外もあります。

また、バイポーラ接合トランジスタ、オペアンプ、FETなどの利得デバイスを使用して発振器機能を実現します。重要なのは、コンデンサC1とC2が分圧器を形成することです。その結果、コルピッツの周波数安定性はタップドキャパシタンスから得られます。タンク回路に存在するこのタップドキャパシタンスがフィードバックの源となります。

しかし、温度変化のある環境でも安定した回路を達成するのは容易ではありません。したがって、回路に抵抗(Re)を配置することが重要です。この抵抗は回路を安定させ、破損を防止します。

また、Reと並列にコンデンサ(Ce)があります。Ceコンデンサはバイパスコンデンサとして機能し、AC増幅信号への低リアクタンス経路を生成します。さらに、R1とR2で形成される分圧器がトランジスタバイアスを作り、電流の流れを制御します。

回路図から、RC結合アンプは共通エミッタトランジスタを持ちます。出力AC結合コンデンサがDCを遮断し、コレクタからタンク回路へのAC経路を提供します。

（LC発振器電気回路）

コルピッツ発振器の動作

電源投入後、コンデンサC1とC2が充電を開始。これらが完全に充電されると、インダクタL1を通じて放電を開始。その結果、タンク回路に減衰調和振動が生じます。

再び振動電流がC1とC2にAC電圧を生成。放電過程ではコンデンサに静電エネルギーが存在し、このエネルギーは磁束としてインダクタに移動し、インダクタを充電します。

同様に、インダクタが放電を始めるとコンデンサが再充電を開始。この連続的な充放電プロセスが発振を生成します。これらの発振周波数を決定するには、回路の共振周波数を使用します。

（実装された発振器のPCB）

タンク回路は、連続的な充放電によるエネルギー貯蔵領域として主に機能します。また、コンデンサとインダクタの連続的な充放電からタンク電子回路が形成され、このプロセスがLCネットワークの分離を引き起こします。

さらに、バルクハウゼン安定性基準により連続非減衰振動を計算できます。ただし、持続振動のためには全位相シフトが0°または360°である必要があります。

回路式計算

回路から、両コンデンサがグラウンドまたはセンタータップされているため、フィードバック電圧（C2両端電圧）は180°、出力電圧（C1両端電圧）と合わせて読み取れます。共通エミッタトランジスタは入力電圧と出力電圧の間で180°の位相シフトを生成。

重要なのは、共振周波数が以下の式で計算されることです：

ƒr = 1 / (2π√(L1 × C))

ここで、fは共振周波数、CはC1とC2の等価容量、L1はコイルの自己インダクタンスです。

Cの計算式は：

C = (C1 × C2) / (C1 + C2)

（ジョイスティックマザーボード内の発振器）

3. コルピッツ発振器図

• オペアンプ使用

（オペアンプ使用コルピッツ発振器）

オペアンプの配置は反転モードで、R1が入力抵抗、RFがフィードバック抵抗。オペアンプ発振器ゲインのRFとR1個別設定には大きな利点があります。反転増幅器のゲインは A = -Rf/R1 で計算。

ただし、結合コンデンサやタンク回路などの重要要素はオペアンプ増幅器ゲインに影響しない点に注意。トランジスタベース版では、タンク電子回路を含むすべてのコンポーネントがゲインに影響します。

オペアンプ発振器の周波数式、動作原理、動作理論はトランジスタ版と同じです。

4. コルピッツ発振器の用途

• 高周波正弦波出力信号の生成
• モバイルおよび無線開発の支援
• 広範囲な周波数変更を必要とする用途
• 頻繁な高低温変化を伴う用途
• 非減衰連続振動が必要なセットアップ

（発振器水晶の写真）

5. メリット

• 高周波の線形波を生成
• 低温・高温環境に対応
• 可変コンデンサ使用で可変周波数を実現可能
• コルピッツ発振器回路に使用できるコンポーネントが豊富
• 非常に安定した発振周波数
• デバイスが一定周波数範囲にある場合、出力振動振幅は一定

（複数の発振器水晶）

まとめ

コルピッツ発振器は、使いやすく信頼性の高い電子部品となる優れた特性を提供します。関連する発振器プロジェクトについてさらに学びたい場合は、お気軽にお問い合わせください。私たちのチームは常に皆様のご質問にお答えできることを嬉しく思います。