電子発振器

電子発振器は、直流（DC）電源によって駆動され、通常は正弦波、方形波、または三角波である周期的な振動または交流（ AC ）信号を生成する電子回路です^{[1] [2] [3] 。発振器は、}ラジオ受信機、テレビ、ラジオおよびテレビ放送送信機、コンピューター、コンピューター周辺機器、携帯電話、レーダー、その他多くの電子機器に使用されています。 ^[1]

発振器は、多くの場合、出力信号の 周波数によって特徴付けられます。

• 低周波発振器( LFO) は、約 20 Hz 未満の周波数を生成する発振器です。この用語は、通常、オーディオ周波数発振器と区別するために、オーディオシンセサイザーの分野で使用されます。
• オーディオ発振器は20Hzから20kHzのオーディオ範囲の周波数を生成します。 ^[2]
• 無線周波数（RF）発振器は、可聴範囲を超える信号、より一般的には100kHzから100GHzの範囲の信号を生成します。^[2]

電子発振器には、線形または調和発振器と非線形または緩和発振器の2つの一般的なタイプがあります。^{[2] [4]} 2つのタイプは、発振がどのように生成されるか、および生成される出力信号の特性タイプが根本的に異なります。

最も一般的に使用されている線形発振器は水晶発振器であり、その出力周波数は振動する水晶からなる圧電 共振器によって制御されます。水晶発振器は現代の電子機器のいたるところで使用されており、コンピュータやデジタル時計のクロック信号のソースであるだけでなく、無線送信機や受信機で生成される信号のソースでもあります。水晶発振器の「ネイティブ」出力波形は正弦波であるため、信号調整回路を使用して、出力をコンピュータのクロック回路で一般的に使用される方形波などの他の波形タイプに変換することができます。

線形発振器または調和発振器は正弦波（またはほぼ正弦波）信号を生成します。次の 2 つのタイプがあります。

最も一般的な線形発振器は、トランジスタやオペアンプなどの電子増幅器をフィードバックループに接続し、その出力を周波数選択電子フィルタを介して入力にフィードバックして正のフィードバックを提供するものです。増幅器の電源が最初にオンになると、回路内の電子ノイズが非ゼロ信号を提供して発振を開始します。^[5]ノイズはループを伝わり、増幅およびフィルタリングされて、すぐに単一周波数の正弦波に収束します。

フィードバック発振回路は、フィードバックループで使用する周波数選択フィルタの種類によって分類できる。^{[2] [4]}

• RC発振回路では、フィルタは抵抗器とコンデンサのネットワークです。^{[2] [4]} RC発振器は主に、たとえば可聴範囲の低周波数を生成するために使用されます。一般的なタイプのRC発振回路は、位相シフト発振器とウィーンブリッジ発振器です。インダクタと抵抗フィルタを使用するLR発振器も存在しますが、低周波数での使用に適した値を実現するために必要なインダクタのサイズのため、あまり一般的ではありません。

• LC発振回路では、フィルタはインダクタ（L）とコンデンサ（C）が接続された同調回路（タンク回路と呼ばれることが多い）であり、共振器として機能します。^{[2] [4]} 電荷はインダクタを介してコンデンサのプレート間を行き来するため、同調回路は共振周波数で振動する電気エネルギーを蓄えることができます。 増幅器は回路内の抵抗エネルギー損失を補償するために電力を追加し、出力信号に電力を供給します。 LC発振器は、信号発生器、同調可能な無線送信機、無線受信機の局部発振器など、同調可能な周波数源が必要な場合に、無線周波数でよく使用されます^{[2] 。 一般的なLC発振回路には、}ハートレー、コルピッツ^[2]、クラップ回路があります。
• 水晶発振回路では、フィルタは圧電結晶（一般的には水晶）である。^{[2] [4]水晶は}共振器 として機械的に振動し、その振動周波数が発振周波数を決定する。水晶の共振周波数はその寸法によって決定されるため、水晶発振器は固定周波数発振器であり、その周波数は1％未満の狭い範囲でのみ調整可能である。^{[6] [7] [8] [9]水晶は}Q値が 非常に高く、同調回路よりも温度安定性も優れているため、水晶発振器はLC発振器やRC発振器よりもはるかに優れた周波数安定性を備えている。 水晶発振器は最も一般的なタイプの線形発振器であり、ほとんどの無線送信機の周波数を安定させ、コンピュータや水晶時計のクロック信号を生成するために使用される。 水晶発振器は、多くの場合、同調回路の代わりに水晶を使用したLC発振器と同じ回路を使用する。^[2]ピアス発振回路もよく使用される。 水晶は一般に、30 MHz以下の周波数に制限される。^[2] 他のタイプの共振器、誘電体共振器、表面弾性波（SAW）デバイスは、マイクロ波領域までの高周波発振器を制御するために使用されます。たとえば、SAW発振器は携帯電話の無線信号を生成するために使用されます。^[10]

トランジスタやオペアンプなどの2ポート増幅能動素子を使用する上記のフィードバック発振器に加えて、負性抵抗を持つ1ポート（2端子）デバイスを使用して線形発振器を構築することもできます。^{[2] [4]}マグネトロン管、トンネルダイオード、IMPATTダイオード、ガンダイオードなど。^{[11] [12] ：p.197–198  [13]} 負性抵抗発振器は通常、マイクロ波領域以上の高周波数で使用されます。これらの周波数では、フィードバックパスでの過度の位相シフトのためにフィードバック発振器のパフォーマンスが低下するためです。

負性抵抗発振器では、 LC回路、水晶、空洞共振器などの共振回路が負性微分抵抗を持つデバイスに接続され、DCバイアス電圧がエネルギーを供給するために印加される。共振回路自体は「ほぼ」発振器である。励起されると電子振動の形でエネルギーを蓄えることができるが、電気抵抗やその他の損失があるため、振動は減衰してゼロに減衰する。^{[14] [12]} 能動デバイスの負性抵抗は共振器内の（正の）内部損失抵抗を打ち消し、実質的に減衰のない共振回路を形成し、共振周波数で自発的な連続振動を生成する。

負性抵抗発振器モデルは、ダイオードのような1ポートデバイスに限定されず、トランジスタや真空管などの2ポート増幅デバイスを備えたフィードバック発振器回路も負性抵抗を持つ。^{[15] [16] [11] [17]} 高周波では、トランジスタやFETなどの3端子デバイスも負性抵抗発振器に使用される。高周波では、これらのデバイスはフィードバックループを必要としないが、1つのポートに特定の負荷がかかると、他のポートが不安定になり、内部フィードバックにより負性抵抗を示すことがある。負性抵抗ポートは同調回路または共振空洞に接続され、発振を引き起こす。^{[16] [11] [18]}高周波発振器は一般に、負性抵抗技術を使用して設計される。^{[16] [11] [17]}

数多くの高調波発振器回路のうちいくつかを以下に示します。

• アームストロング振動子、別名マイスナー振動子
• ハートレー発振器
• コルピッツ発振器
• クラップ発振器
• ザイラー発振器
• ヴァッカー発振器
• ピアス発振器
• トライテット発振器
• カソードフォロワ発振器
• ウィーンブリッジ発振器
• 位相シフト発振器
• クロスカップルド発振器
• ダイナトロン発振器
• 光電子発振器
• ロビンソン発振器

非線形発振器または緩和発振器は、方形波、のこぎり波、三角波などの非正弦波出力を生成します。^{[4] [19] [20] [21]}これは、フィードバックループに接続されたエネルギー貯蔵要素（コンデンサ、またはまれにインダクタ）と非線形スイッチングデバイス（ラッチ、シュミットトリガー、または負性抵抗要素）で構成されます。^{[22] [23]}スイッチングデバイスは定期的にエネルギーで貯蔵要素を充電し、その電圧または電流がしきい値に達すると再び放電して、出力波形に急激な変化を引き起こします。[ ^{24] : p.20} 過去にはユニジャンクショントランジスタ、サイラトロン管、ネオンランプなどの負性抵抗デバイスが使用されていましたが、^{[22]今日では緩和発振器は主に}555タイマーICなどの集積回路で構築されています。

方形波弛張発振器はタイマーやカウンターなどの順次論理回路のクロック信号を供給するのに使われますが、安定性に優れた水晶発振器の方が好まれる場合が多いです。 ^{[25] : p.20.1}三角波またはのこぎり波発振器はアナログオシロスコープやテレビのブラウン管の水平偏向信号を生成するタイムベース回路で使われます。^{[25] : p.20.1}これらは電圧制御発振器(VCO)、インバーターやスイッチング電源、デュアルスロープアナログ-デジタルコンバーター(ADC)、関数発生器でも使われ、機器のテスト用の方形波や三角波を生成します。一般に弛張発振器は線形発振器よりも低い周波数で使われ、周波数安定性は劣ります。

リング発振器は、インバータなどの能動遅延段のリングで構成されています。^{[24] : p.20}一般に、リングには奇数の反転段があるため、リング内部の電圧に単一の安定状態は存在しません。代わりに、単一の遷移がリングの周りを無限に伝播します。

より一般的な弛緩発振器回路のいくつかを以下に示します。

• マルチバイブレーター
• ピアソン・アンソン振動子
• リングオシレーター
• 遅延線発振器
• ロイヤー発振器

発振器は、入力電圧または電流によって発振周波数をある範囲で変化させることができるように設計できます。これらの電圧制御発振器は位相同期ループで広く使用されており、位相同期ループでは発振器の周波数を別の発振器の周波数に同期させることができます。これらは現代の通信回路に広く使用されており、フィルタ、変調器、復調器で使用され、ラジオやテレビの調整に使用される周波数合成回路の基礎を形成しています。

無線周波数 VCO は通常、発振器回路の同調回路または共振器にバラクタダイオードを追加して作成されます。バラクタの両端の DC 電圧を変更すると、その静電容量が変わり、同調回路の共振周波数が変わります。電圧制御緩和発振器は、電圧制御電流源を使用してエネルギー貯蔵コンデンサを充電および放電することで構築できます。入力電圧を増加すると、コンデンサの充電速度が上がり、スイッチング イベント間の時間が短くなります。

フィードバック発振回路は、フィードバックループに接続された2つの部分、すなわち増幅器 と電子フィルタで構成されています。^{[26] : p.1} フィルタの目的は、ループを通過できる周波数を制限し、回路が目的の周波数でのみ発振するようにすることです。^[27] 回路内のフィルタとワイヤには抵抗があるため、エネルギーを消費し、信号がフィルタを通過すると振幅が低下します。増幅器は、回路の他の部分で失われたエネルギーを補うために信号の振幅を増加させる必要があり、そのためループは発振し、出力に接続された負荷にエネルギーを供給します。 ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \beta (j\omega )}$

フィードバック発振回路が発振する周波数を決定するには、フィードバックループがどこかの時点で切断され（図を参照）、入力ポートと出力ポートが与えられる（正確さを保つために、出力ポートは入力ポートと同じインピーダンスで終端される必要がある）。入力に正弦波が適用され、ループを通過した後の正弦波の振幅と位相が計算される^{[28] [29]}${\displaystyle \omega _{0}\;=\;2\pi f_{0}}$${\displaystyle v_{i}(t)=V_{i}e^{j\omega t}}$${\displaystyle v_{o}=V_{o}e^{j(\omega t+\phi )}}$

${\displaystyle v_{o}=Av_{f}\,}$      など           ​      ${\displaystyle v_{f}=\beta (j\omega )v_{i}\,}$${\displaystyle v_{o}=A\beta (j\omega )v_{i}\,}$

完全な回路ではがに接続されているため、振動が存在するためには ${\displaystyle v_{o}}$${\displaystyle v_{i}}$

${\displaystyle v_{o}(t)=v_{i}(t)}$

ループの出力と入力の比はループゲインと呼ばれる。したがって、発振の条件はループゲインが1でなければならないということである^{[30] : p.3–5  [29] [31] [32]}${\displaystyle {v_{o} \over v_{i}}=A\beta (j\omega )}$

${\displaystyle A\beta (j\omega _{0})=1\,}$

は大きさと角度の2つの部分を持つ複素数なので、上記の式は実際には2つの条件から成ります。 ^{[33] [32] [29]}${\displaystyle A\beta (j\omega )}$

• _{ω 0}におけるループの周りのゲイン（増幅）の大きさは1でなければならない

${\displaystyle |A||\beta (j\omega _{0})|=1\,\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad {\text{(1)}}}$

そのため、ループを一周した後、正弦波は同じ振幅になります。ループゲインが1より大きい場合、正弦波信号の振幅はループを一周するにつれて増加し、結果として無限に時間の経過とともに指数関数的に増加する正弦波になることが直感的にわかります。^[27] ループゲインが1未満の場合、信号はループの周りで減少し、結果として指数関数的に減衰してゼロに減少する正弦波になります。

• ループの終わりの正弦波は、ループの始まりの波と位相が一致している必要があります。 ^{[29]正弦波は}周期的で2πラジアンごとに繰り返される ため、これは、振動周波数_ω0でのループの周りの位相シフトがゼロまたは2πラジアン（360°） の倍数でなければならないことを意味します。

${\displaystyle \angle A+\angle \beta =2\pi n\qquad n\in 0,1,2...\,\qquad \qquad {\text{(2)}}}$

式(1)と式(2)はバルクハウゼン安定条件と呼ばれる。^{[32] [30] : p.3–5} これは発振に必要な条件ではあるが十分な条件ではないため、これらの式を満たしていても発振しない回路も存在する。バルクハウゼン条件の代わりによく使われる同等の条件は、回路の閉ループ伝達関数(回路の出力における複素インピーダンス)が虚軸上に一対の極を持つというものである。

一般に、フィードバックネットワークの位相シフトは周波数の増加とともに増加するため、2 番目の式を満たす離散周波数はわずか (多くの場合 1 つだけ) です。^{[32] [27]}アンプのゲインが 十分に高く、ループゲインがこれらの周波数の 1 つで 1 (またはそれ以上、スタートアップ セクションを参照) になる場合、回路はその周波数で発振します。コモン エミッタトランジスタ回路などの多くのアンプは「反転」型であり、入力が増加すると出力電圧が低下します。^{[33] [29]} これらのアンプは 180° の位相シフトを提供するため、回路はフィードバック ネットワークがもう 1 つの 180° の位相シフトを提供する周波数で発振します。^{[30] : p.3–5  [29]}${\displaystyle A}$

増幅装置の極よりかなり低い周波数では、増幅器は純粋なゲインとして動作しますが、発振周波数が増幅器のカットオフ周波数に近い場合、 の範囲内では、能動装置はもはや「純粋なゲイン」とは見なされず、ループにいくらかの位相シフトをもたらします。 ^{[30] : p.3–5  [34] : p.345–347}${\displaystyle A}$${\displaystyle \omega _{0}}$ ${\displaystyle \omega _{C}}$${\displaystyle 0.1\omega _{C}}$

バルクハウゼン基準の代わりに時々使用される代替数学的安定性テストは、ナイキスト安定性基準である。^{[30] ：p.6–7} これはバルクハウゼンよりも適用範囲が広く、バルクハウゼン基準を通過するが発振しない回路のいくつかを識別することができる。

温度変化、その他の環境変化、経年変化、製造公差により、部品の値が設計値から「ドリフト」します。^{[35] [36] LC発振器の}タンク回路などの周波数決定部品の変化は発振周波数の変化を引き起こすため、一定の周波数を得るにはこれらの部品の値が安定している必要があります。発振器の周波数が回路内の他の部品の値、アンプのゲイン、負荷インピーダンス、または電源電圧の変化などに対してどれだけ安定しているかは、主にフィードバックフィルタのQ係数（「品質係数」）に依存します。^[35]アンプの非線形性により出力の振幅は一定であるため（以下のスタートアップセクションを参照）、部品の値の変化はフィードバックループの位相シフトの変化を引き起こします。発振は位相シフトが360°の倍数である周波数でのみ発生するため、部品の値がシフトすると発振周波数が変化し、ループ位相が360n°に戻ります。与えられた位相変化によって引き起こされる周波数変化の量は、ループ位相曲線の傾きに依存し、これは^{[35] [36] [37] [38]}によって決定されます。${\displaystyle \phi \;=\;\angle A\beta (j\omega )}$${\displaystyle \phi \;=\;360n^{\circ}}$${\displaystyle \omega _{0}}$${\displaystyle \デルタ \オメガ }$${\displaystyle \Delta \phi }$${\displaystyle \omega _{0}}$${\displaystyle Q}$

${\displaystyle {d\phi \over d\omega }{\Bigg |}_{\omega _{0}}=-{2Q \over \omega _{0}}\,}$      それで      ${\displaystyle \Delta \omega =-{\omega _{0} \over 2Q}\Delta \phi \,}$

RC発振器は が非常に低い に相当するため、位相は周波数とともに非常にゆっくりと変化します。したがって、位相が変化すると周波数が大きく変化します。対照的に、LC発振器は が高い（約10 ^{2 ）}タンク回路を備えています。これは、タンク回路の共振周波数付近では、フィードバックネットワークの位相シフトが周波数とともに急速に増加することを意味します。 ^[35]したがって、位相が大きく変化しても周波数はわずかにしか変化しません。したがって、回路の発振周波数は、同調回路の自然共振周波数に非常に近く、回路内の他のコンポーネントにあまり依存しません。水晶発振器に使用される水晶共振器はさらに高く（10 ⁴～ 10 ⁶）^[38]、その周波数は非常に安定しており、他の回路コンポーネントに依存しません。 ${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$

RC および LC 発振器の周波数は、フィルター内の可変部品を使用することで、広範囲にわたって調整できます。マイクロ波キャビティは、壁の 1 つを動かすことで機械的に調整できます。対照的に、水晶は機械的共振器であり、共振周波数は主にその寸法によって決まるため、水晶発振器の周波数は非常に狭い範囲、つまり 1 パーセントのごくわずかな部分でしか調整できません。^{[9] [39] [7] [6] [40] [8] [41]水晶と直列または並列に}トリマー コンデンサを 使用することで、周波数をわずかに変更できます。^[9]

上記のバルクハウゼンの条件、式(1)と式(2)は、定常発振が可能な周波数を示しているだけで、発振の振幅、振幅が安定しているかどうか、電源を入れたときに回路が発振を開始するかどうかについては何も述べていない。^{[42] [30] : p.5  [43]} 実用的な発振器には、さらに2つの要件が必要である。

• 回路内で発振がゼロから始まるためには、回路は「過剰ゲイン」を持っている必要がある。つまり、小信号に対するループゲインは、その発振周波数において1より大きくなければならない^{[32] [27] [33] [30] : p.3–5  [43]}

${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|>1\,}$

• 安定した動作のためには、フィードバックループには、振幅が動作値まで増加するとゲインを1に戻す非線形コンポーネントを含める必要があります。 ^{[32] [27]}

一般的な経験則は、小信号ループゲインを発振周波数 2 または 3 にすることです。^{[26] : 11  [33]} 電源が投入されると、電源投入時の過渡現象または回路内に存在するランダムな電子ノイズによって発振が開始されます。 ^{[30] : p.5  [5]ノイズにより、回路は不安定な DC 平衡点 (} Q ポイント)で無期限に「バランス」を保てなくなります。フィルタの通過帯域が狭いため、ノイズパルスに対する回路の応答は正弦波になり、ループ内に小さな正弦波電圧が励起されます。小信号の場合、ループゲインは 1 より大きいため、正弦波の振幅は指数関数的に増加します。^{[32] [27]}

起動中、振動の振幅が小さい間は回路はほぼ線形であるため、バルクハウゼン基準で使用される解析が適用できます。^{[26] ：144,146} 振幅が十分に大きくなり、増幅器が非線形になり、高調波歪みが発生すると、技術的には通常の増幅回路で使用される周波数領域解析は適用できなくなるため、回路の「ゲイン」は未定義になります。ただし、フィルタは増幅器の非線形性によって生成された高調波成分を減衰させるため、基本周波数成分が主にループゲインを決定します^[44]（これが非線形回路の 「高調波バランス」解析手法です）。${\displaystyle \sin \omega _{0}t}$

正弦波は無限に大きくなることはできません。実際の発振器では、回路内の何らかの非線形プロセスによって振幅が制限され、^{[32] [45] [46]}振幅が増加するにつれてゲインが減少し、ある一定の振幅で安定した動作が実現します。^[32] ほとんどの発振器では、この非線形性は、トランジスタ、真空管、またはオペアンプなどの増幅装置の飽和 （制限またはクリッピング）に過ぎません。^{[47] [48] [30] : p.5}増幅器の出力の最大電圧振幅は、電源によって供給される DC 電圧によって制限されます。別の可能性として、出力は増幅器のスルーレート によって制限されることがあります。

出力の振幅が電源電圧レールに近づくと、アンプは正弦波のピーク（上部と下部）で飽和し始め、ピークを平坦化または「クリッピング」します。 ^[34] 回路から最大振幅の正弦波出力を得るには、アンプをクリッピング レベルの中間にバイアスする必要があります。たとえば、オペアンプは 2 つの電源電圧レールの中間にバイアスする必要があります。共通エミッタ トランジスタ アンプのコレクタ電圧は、カットオフ レベルと飽和レベルの中間にバイアスする必要があります。

入力の増加とともにアンプの出力は増加できなくなるため、振幅がさらに増加するとアンプの等価ゲインが減少し、ループゲインが減少します。^[43] 正弦波の振幅とその結果生じるクリッピングは、ループゲインが 1 に減少してバルクハウゼン基準を満たすまで増加し続けます。その時点で振幅は横ばいになり、定常動作が達成されます。^[32]出力はわずかに歪んだ正弦波で、ピーク振幅は電源電圧によって決まります。これは安定した平衡状態です。何らかの理由で正弦波の振幅が増加すると、出力のクリッピングが増加するとループゲインが一時的に 1 を下回り、正弦波の振幅はユニティゲイン値に戻ります。同様に、波の振幅が減少すると、クリッピングの減少によってループゲインが 1 を超えて増加し、振幅が増加します。 ${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|\;=\;1\,}$${\displaystyle |A\beta (j\omega _{0})|}$

出力の高調波歪みの量は、回路の過剰ループゲインの大きさに依存する：^{[43] [26] ：12  [34] [27]}

• 小信号ループ ゲインを 1 に近づけるか、わずかに大きくすると、出力波形の歪みが最小限になり、周波数は最も安定し、電源電圧や負荷インピーダンスの影響を受けません。ただし、発振器の起動が遅くなったり、部品の値の変化によるゲインのわずかな低下によって発振が妨げられる場合があります。
• 小信号ループゲインを1より大幅に大きくすると、発振器の起動は速くなりますが、正弦波のクリッピングがより激しくなり、出力波形の歪みが増加します。発振周波数は、電源電圧と負荷に流れる電流に大きく依存するようになります。^[34]

上記の例外は、水晶発振器などの高Q発振器回路です。水晶の狭い帯域幅により出力から高調波が除去され、ループ ゲインが大きい場合でも歪みがほとんどない「純粋な」正弦波が生成されます。

発振器は動作が非線形性に依存しているため、根軌跡やゲインと位相のプロット（ボード線図）など、ラプラス変換に基づく増幅器に使用される通常の線形周波数領域回路解析手法では、発振器の完全な動作を捉えることができません。^[42] 起動時および過渡動作を決定し、出力波形の詳細な形状を計算するには、SPICEなどの電子回路シミュレーションコンピュータプログラムが使用されます。^[42] 発振器回路の一般的な設計手順は、バルクハウゼン安定基準やナイキスト安定基準などの線形手法を使用して回路を設計し、経験則を使用してループゲインを選択し、次にコンピュータ上で回路をシミュレートして、確実に起動することを確認し、高調波歪みなどの動作の非線形側面を決定することです。^{[27] [42]} 部品の値は、シミュレーション結果が満足のいくものになるまで調整されます。現実世界の（非線形）発振器の歪んだ振動はリミットサイクルと呼ばれ、非線形制御理論で研究されています。

高精度信号発生器など、歪みが非常に少ない「純粋な」正弦波が必要なアプリケーションでは、振幅に応じて「緩やかな」ゲイン低減を実現する非線形コンポーネントがフィードバック ループでよく使用されます。これにより、アンプの飽和レベル以下の振幅でループ ゲインが安定するため、正弦波が飽和して「クリップ」されることはありません。非線形要素には、抵抗ダイオード ネットワークとFET がよく使用されます。古い設計では、サーミスタまたは通常の白熱電球が使用されています。どちらも、電流が増加すると温度とともに抵抗が増加します。

発振器の起動時にこれらの回路を流れる信号電流の振幅が増加すると、これらのデバイスの抵抗が増加し、ループゲインが減少します。これらの回路の重要な特徴は、非線形ゲイン制御回路が長い時定数を持たなければならないことです。これは、発振の1周期よりもはるかに長い時間定数です。したがって、1サイクルでは、これらの回路は実質的に線形要素として動作し、歪みはほとんど発生しません。これらの回路の動作は、ラジオ受信機の自動ゲイン制御(AGC) 回路に似ています。ウェインブリッジ発振器は、このタイプのゲイン安定化が使用される広く使用されている回路です。^[49]

高周波では、部品の欠陥のため、フィードバック発振器を物理的に実装することが困難になります。高周波ではタンク回路の静電容量とインダクタンスが非常に小さいため、部品のリード線と PCB トレースの寄生静電容量と寄生インダクタンスが重要になります。これらにより、アクティブ デバイスの出力と入力の間に不要なフィードバック パスが作成され、不安定性が生じ、不要な周波数で振動が発生します (寄生振動)。出力と入力間の電極間静電容量など、アクティブ デバイス自体の内部にある寄生フィードバック パスによって、デバイスが不安定になります。アクティブ デバイスの入力インピーダンスは周波数とともに低下するため、フィードバック ネットワークに負荷がかかる場合があります。その結果、500 MHz を超える周波数では安定したフィードバック発振器を構築することが難しく、これを超える周波数では負性抵抗発振器が通常使用されます。

最初の実用的な発振器は、19世紀に照明に使われていた電気アークをベースとしていた。アーク灯を流れる電流は負の抵抗のために不安定で、しばしば自発的な振動に陥り、アークがシューという音、ハミング音、ハウリング音を発する原因となる^[50]。この音は、1821年にハンフリー・デイビー、 1822年にベンジャミン・シリマン、 ^[51] 1846年にオーギュスト・アルチュール・ド・ラ・リヴ、 ^[52] 1878年にデイヴィッド・エドワード・ヒューズによって指摘されていた。 ^{[53] 1888年に} エルンスト・レッヒャーは、電気アークを流れる電流が振動することを示した。^{[54] [55] [56]}

1892年にエリヒュー・トムソンがLC同調回路をアークと並列に配置し、磁気ブローアウトを備えた発振器を製作した^{[57] [58] 。同年、}ジョージ・フランシス・フィッツジェラルドは独立して、共振回路の減衰抵抗をゼロまたは負にできれば回路が発振することを実感し、ダイナモで負抵抗発振器、現在ではパラメトリック発振器と呼ばれるものを構築しようとしたが失敗した。^{[59] [50]}アーク発振器は1900年にウィリアム・ダデルによって再発見され、普及した。 ^{[60] [61]}ロンドン工科大学の学生だったダデルは、ヒスアーク効果を調査していた。彼はLC回路（同調回路）をアークランプの電極に接続し、アークの負抵抗が同調回路の発振を励起した。^[50]エネルギーの一部はアークによって音波として放射され、楽音を生み出した。ダデルはロンドン電気技術者協会の前で、アークを横切って異なる同調回路を順番に接続し、国歌「女王陛下万歳」を演奏する発振器を披露した。^[50]ダデルの「歌うアーク」は可聴範囲を超える周波数を生成しなかった。1902年、デンマークの物理学者ヴァルデマール・ポールセンとPO・ペダーソンは、磁場のある水素雰囲気でアークを動作させることで、生成される周波数を無線範囲まで高めることに成功し、ポールセンアーク無線送信機を発明した。これは1920年代まで使用された最初の連続波無線送信機である。^{[62] [63] [64]}

真空管フィードバック発振器は、1912年頃に発明された。当時発明されたばかりのオーディオン（三極管） 真空管のフィードバック（「再生」）が発振を生成できることが発見されたのである。少なくとも6人の研究者が独立してこの発見をしたが、全員が発振器の発明に関与したとは言えない。^{[65] [66]} 1912年の夏、エドウィン・アームストロングはオーディオン無線受信機回路の発振を観察し^{[67] 、}再生受信機の発明に正帰還を使用した。^{[68] [69]} オーストリアのアレクサンダー・マイスナーは、 1913年3月に独立して正帰還を発見し、発振器を発明した。^{[67] [70]} ゼネラル・エレクトリックのアーヴィング・ラングミュアは、1913年に帰還を観測した。 ^[70] フリッツ・ローウェンシュタインは、1911年後半に粗雑な発振器で他の人たちより先にいた可能性がある。^[71] イギリスでは、HJラウンドが1913年に増幅および発振回路の特許を取得した。^[67] 1912年8月、オーディオンの発明者であるリー・ド・フォレストも、自分の増幅器で振動を観察していたが、その意味を理解せず、それを排除しようとした。 ^{[72] [73]} 1914年にアームストロングの特許を読んで、^[74]すぐに異議を唱えた。^[75] アームストロングとドフォレストは「再生型」発振回路の権利をめぐって長期にわたる法廷闘争を繰り広げた^{[75] [76]}。これは「ラジオ史上最も複雑な特許訴訟」と呼ばれている。^[77]最終的にドフォレストは1934年に最高裁判所で技術的な理由で勝訴したが、ほとんどの情報源はアームストロングの主張の方が強力であるとみなしている。^{[73] [75]}

最初のそして最も広く使われている弛張発振回路である非安定マルチバイブレータは、1917年にフランスの技術者アンリ・アブラハムとウジェーヌ・ブロックによって発明されました。^{[78] [79] [80]} 彼らは、交差結合された二重真空管回路をマルチバイブレータと呼びました。これは、それが生成する方形波信号が、他の真空管発振器の正弦波信号と比較して、高調波を豊富に含んでいたためです。 ^{[79] [80]}

真空管フィードバック発振器は、1920 年までに無線送信の基礎となった。しかし、三極真空管発振器は、電極間容量のため、300 MHz を超えると性能が低下した。^[81] より高い周波数に到達するために、電子が「束」になって管内を移動する新しい「通過時間」（速度変調）真空管が開発された。これらの最初のものは、UHF範囲で電力を生成する最初の管であるバルクハウゼン - クルツ発振器(1920 年) であった。最も重要で広く使用されたのは、クライストロン(R. および S. Varian、1937 年) と空洞マグネトロン(J. Randall および H. Boot、1940 年) であった。

フィードバック振動の数学的条件は、現在バルクハウゼンの条件と呼ばれ、1921年にハインリッヒ・ゲオルク・バルクハウゼンによって導き出された。彼はまた、すべての線形振動子は負性抵抗を持たなければならないことを示した。 ^[82] 非線形電子振動子モデルの最初の分析、ファンデルポール振動子は、 1927年にバルタザール・ファンデルポールによって行われた。 ^[83] 彼は「緩和振動」という用語を生み出し、線形振動子と緩和振動子を区別した最初の人物である。彼は、実際の振動子の振動の安定性（リミットサイクル）は、増幅装置の非線形性によるものであることを示した。振動の数学的分析のさらなる進歩は、1930年代にヘンドリック・ウェイド・ボードとハリー・ナイキストによってなされた。 ^[84] 1969年に黒川兼行は負性抵抗回路の振動の必要十分条件を導き出し、^[85]これは現代のマイクロ波振動子設計の基礎となっている。^[18]

• 注入同期発振器
• 数値制御発振器
• 拡張相互作用発振器
• 可変周波数ドライブ
• 薄膜バルク音響共振器

• ゴットリーブ、アーヴィング M. (1997)。実用発振器ハンドブック。エルゼビア。ISBN 0080539386。
• ホン・ソンオク（2001年）。ワイヤレス：マルコーニのブラックボックスからオーディオンまで。MITプレス。ISBN 978-0262082983。
• Hong, Sungook (2003)。「再生回路の歴史: 発明から特許訴訟まで」(PDF) 。ソウル国立大学、ソウル、韓国。 2014年2月1日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年8月29日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です
• モース、AH（1925）、ラジオ：ビームと放送：その歴史と特許、ロンドン：アーネスト・ベン。

• Rohde, Ulrich; Poddar, Ajay; Bock, Georg (2005)。ワイヤレスアプリケーション向け最新マイクロ波発振器の設計: 理論と最適化。John Wiley and Sons。ISBN 0-471-72342-8。
• ルビオラ、エンリコ (2010)。発振器の位相ノイズと周波数安定性。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521153287。

ウィキメディア・コモンズには、電子発振器に関連するメディアがあります。

• Howstuffworks: 発振器。
• 発振器の奇妙な点。
• 高精度周波数生成に関するチュートリアル。