ハートレー発振器

ハートレー発振器は、コンデンサとインダクタからなる同調回路、すなわちLC発振器によって発振周波数が決定される電子発振 回路である。この回路は、1915年にアメリカの技術者ラルフ・ハートレーによって発明された。ハートレー発振器の特徴は、同調回路が並列に接続された1つのコンデンサと直列に接続された2つのインダクタ（または1つのタップ付きインダクタ）で構成され、発振に必要なフィードバック信号が2つのインダクタの中央接続から取得される点である。

ハートレー発振器は、ハートレーがウェスタン・エレクトリック社の研究所で働いていたときに発明された。ハートレーは1915年にベルシステムの大西洋横断無線電話テストを監督していたときにこの設計を発明し、特許を取得した。1920年10月26日に特許番号1,356,763が付与された。^[1]

1946年、ハートリーは「三極管を用いた発振回路に関する 初期の研究」と「限られた帯域幅の伝送システムで伝送できる情報の総量と所要時間との間の基本的な関係」についての情報理論（ハリー・ナイキストとほぼ並行）の研究により、無線技術者協会名誉賞を受賞した。 ^[2]

ハートレー発振器は、直列接続された 2 つのコイル(または、多くの場合、タップ付きコイル) とコンデンサーが並列に接続されたタンク回路によって特徴付けられ、LC タンク全体の比較的高いインピーダンスとコイル間の比較的低い電圧/高電流ポイントの間に増幅器が配置されています。1915 年のオリジナル バージョンでは、共通カソード構成の増幅装置として三極管が使用され、3 つのバッテリーと個別の調整可能なコイルが使用されていました。簡略化された共通ドレインJFET回路図では、 LC タンク(ここでは単一の巻線がタップされています) と単一のバッテリーが使用されていますが、それ以外は特許図面と基本的に同じです。回路はハートレー発振器の動作を示しています: ^{[疑わしい–議論]}

• JFET のソース( BJTが使用されていた場合はエミッタ、三極管の場合はカソード) からの出力は、ゲート (またはベース) の信号と同じ位相で、入力 (タンク回路全体の電圧) とほぼ同じ電圧ですが、電流は増幅されます。つまり、電流バッファまたは電圧制御電圧源として機能します。
• この低インピーダンス出力はコイルタッピングに送られ、実質的にはオートトランスフォーマーに送られて電圧が上昇し、比較的高い電流（コイルの上部で利用可能な電流と比較して）が必要になります。
• コンデンサとコイルの共振により、同調周波数以外のすべての周波数が吸収される傾向があります (低周波数ではインダクタのリアクタンスが低いため、タンクは DC 付近でほぼ 0Ω に表示され、非常に高い周波数ではコンデンサのため再び低くなります)。また、同調周波数以外では、発振に必要な 0° からフィードバックの位相がシフトします。

単純な回路のバリエーションには、アンプのゲインを自動的に下げて、過負荷以下のレベルで一定の出力電圧を維持する方法が含まれることがよくあります。上記の単純な回路では、ゲートが正のピークで導通するため出力電圧が制限され、振動が効果的に減衰されますが、大きな歪み (スプリアス高調 波) が発生する可能性があります。元の特許の回路図のように、タップ付きコイルを 2 つの別々のコイルに変更すると、動作する発振器になりますが、2 つのコイルが磁気的に結合されていないため、インダクタンス、つまり周波数の計算を変更する必要があり (以下を参照)、電圧増加メカニズムの説明はオートトランスフォーマーのシナリオよりも複雑になります。

LCタンクフィードバック構成でタップ付きコイルを使用するまったく異なる実装は、共通グリッド（または共通ゲートまたは共通ベース）増幅段を使用することです。^[3]これは依然として非反転ですが、電流ゲインの代わりに電圧ゲインを提供します。コイルタップは依然としてカソード（またはソースまたはエミッタ）に接続されていますが、これは増幅器への（低インピーダンスの）入力になります。分割タンク回路は、プレート（またはドレインまたはコレクタ）の比較的高い出力インピーダンスからインピーダンスを低下させます。

ハートレー発振器はコルピッツ発振器のデュアルであり、コルピッツ発振器は電圧分割器に 2 つのインダクタではなく 2 つのコンデンサを使用します。2 つのコイル セグメント間の相互結合は必須ではありませんが、回路は通常、ここに示すようにタップ付きコイルを使用して実装され、タップからフィードバックが取られます。最適なタッピング ポイント (またはコイル インダクタンスの比) は、使用される増幅デバイスによって異なります。増幅デバイスには、バイポーラ接合トランジスタ、FET、三極管、またはほぼすべてのタイプの増幅器 (この場合は非反転ですが、接地された中心点と反転増幅器またはトランジスタのコレクタ/ドレインからのフィードバックを備えた回路のバリエーションも一般的です) が使用できますが、接合 FET (図を参照) または三極管がよく使用されます。これは、ゲートまたはグリッドに直列に接続された単純なグリッド リーク 抵抗器とコンデンサの組み合わせによって、十分な振幅安定性 (したがって歪みの低減) を実現できるためです (以下のスコット回路を参照)。これは 、

振動の周波数はタンク回路の共振周波数とほぼ等しい。タンクコンデンサの静電容量がCで、タップコイルの全インダクタンスがLの場合、

${\displaystyle f={1 \over 2\pi {\sqrt {LC}}}\,}$

インダクタンスL ₁とL ₂の2つの非結合コイルを使用する 場合、

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}\,}$

しかし、2つのコイルが磁気的に結合されている場合、相互インダクタンス k ^[4]により総インダクタンスは大きくなります。

${\displaystyle L=L_{1}+L_{2}+k{\sqrt {L_{1}L_{2}}}\,}$

実際の発振周波数は、コイルの 寄生容量とトランジスタによる負荷のため、上記よりもわずかに低くなります。

ハートレー発振器にはいくつかの利点があります。

• 周波数は、片側をアースできる単一の可変コンデンサを使用して調整できます。
• 出力振幅は周波数範囲にわたって一定のままである
• タップコイルまたは2つの固定インダクタのいずれかが必要であり、他のコンポーネントはほとんど必要ありません。
• コンデンサを（並列共振）水晶に置き換えるか、タンク回路の上半分を水晶とグリッドリーク抵抗器に置き換えることで（Tri-tet 発振器の場合のように） 、正確な固定周波数水晶発振器のバリエーションを簡単に作成できます。

出力は、LC 回路から直接ではなく、アンプから取得すると高調波が多くなります (振幅安定化回路が採用されていない場合)。これは利点とも欠点とも考えられます。

回路図には部品の値の例が示されています。^[5]電界効果トランジスタの代わりに、バイポーラ接合トランジスタや真空管など、必要な周波数でゲインを生成できる他の能動部品を使用することもできます。

共通ドレイン アンプは、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いです。したがって、アンプの入力は LC 回路の高インピーダンス トップ C1、L1、L2 に接続され、アンプの出力は LC 回路の低インピーダンス タップに接続されます。グリッド リークC2 と R1 は、グリッド リーク バイアスを通じて動作点を自動的に設定します。C2 の値が小さいほど高調波歪みは少なくなりますが、負荷抵抗を大きくする必要があります。負荷抵抗 RL はシミュレーションの一部であり、回路の一部ではありません。

• 光電子発振器

• Langford-Smith, F. (1952)、「Radiotron Designer's Handbook (第 4 版)」、シドニー、オーストラリア: Amalgamated Wireless Valve Company Pty., Ltd.
• レコード、FA; スタイルズ、JL（1943年6月）、「ハートレー振動子の動作の解析的実証」、IREの議事録、31（6）：281〜287、doi：10.1109/jrproc.1943.230656、ISSN  0096-8390、S2CID  51643731
• Rohde, Ulrich L.; Poddar, Ajay K.; Böck, Georg (2005 年 5 月)、「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」、ニューヨーク、NY: John Wiley & Sons、ISBN 0-471-72342-8
• ヴェンデリン、ジョージ、パヴィオ、アンソニー M.、ローデ、ウルリッヒ L. (2005 年 5 月)、線形および非線形技術を使用したマイクロ波回路設計、ニューヨーク、NY: John Wiley & Sons、ISBN 0-471-41479-4

• ハートレー発振器、Integrated Publishing