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LTspiceで三角波/方形波発振回路

三角波を作る回路として、ヒステリシスコンパレータと積分回路をリング状にしたものが有名です。単電源で実現することを目標にLTspiceでシミュレーションしました。

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三角波発振回路とヒステリシス曲線


PSoC/GPIOのしきい値とヒステリシスPSoC/GPIOのしきい値と電源電圧では、オシロスコープと発振回路を用いて、ヒステリシス特性曲線を描きました。これらのエントリでは、PSoCでLED正弦波駆動の正弦波を流用できたので、信号源として正弦波を用いましたが、他の一般的なデジタルバッファのしきい値を調べるためには、信号源として三角波発振回路を用意する方が向いているでしょう。

三角波/方形波発振回路の構成


三角波を発生させる回路として、ヒステリシスコンパレータと積分回路をリング状にしたものが有名で、趣味の電子工作三角波発振器などいろいろなところで紹介されています。
この回路は、同一周波数の三角波と同位相の方形波を同時に取り出せるので便利です。
fig.1-2にLTspiceを用いたシミュレーションを示します。


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fig.1: 三角波/方形波発振回路のスケマティック

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fig.2: 三角波/方形波発振回路の出力波形


この回路の発振周波数は、以下の式で計算できます。

f = \frac{1}{4C_{1}R_{1}} \left( \frac{R_{2}}{R_{3}//R_{4}} \right)


発振周波数は電源電圧に依存しませんが、出力電圧振幅はV(ref)に対して対称である必要があります。多くの汎用OPアンプは出力電圧振幅が上下対称なので、V(ref)=0VとしVEE=-VCCと両電源で使うと上手くいくはずですが、LM358のように出力振幅が電源電圧に対して非対称な例外もあるので注意が必要です。

出力振幅がV(ref)に対して非対称の場合は、最悪発振しません。R3//R4を小さく採れば、発振させることができるかもしれませんが、三角波の傾きや矩形波のDuty比が非対称になります。


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fig.3: LM358を用いた三角波/方形波発振回路のスケマティック

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fig.4: LM358を用いた三角波/方形波発振回路の出力波形


fig.3-4では、LM358の出力振幅にあわせてV(ref)=2.0Vとしたシミュレーションを行いました。LM358のモデルはナショナルセミコンダクタのものを利用しました。

レールtoレールOPアンプ LMC6482


実際に単電源で三角波/方形波発振回路を作る場合は、入出力レールtoレールOPアンプを利用することになると思います。問題が出力電圧の対称性だけなら、LMC662等の出力のみがレールtoレールのOPアンプでもよいのですが、U1はコンパレータ動作のため、非反転入力端子にはfig.2のV(niv)のような電圧がかかります。

このように、三角波/方形波発振回路は、使用するOPアンプに対して出力振幅の対称性だけでなく、同相入力電圧範囲と出力電圧範囲が同じであることも、暗黙のうちに要求しています。
したがって、この回路を単電源で使用する場合は、出力振幅・同相入力電圧範囲がともに大きく取れる入出力レールtoレールOPアンプが必要になります。(まあ、現実的にはコンパレータとして動作させるだけなので、LMC662でもちゃんと発振するでしょうが。)

最近、秋月電子通商で2回路入りの単電源レールtoレールOPアンプLMC6482が売られるようになりました。次回のエントリでは、これで単電源三角波/方形波発振回路を作ります。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


参考文献/使用機器





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