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発振回路（水晶・PLL・VCO） はっしんかいろ

4アマ 3アマ 三陸特 二陸特 一陸技

外部からの入力なしに一定周波数の交流を作り続ける回路で、送信機の搬送波や受信機の局部発振信号のもと。水晶発振回路は安定度が高く、PLL 周波数シンセサイザは安定さと可変を両立します。

試験ではここ

「搬送波を発生する回路＝発振回路」の一問一答。PLL 周波数シンセサイザのブロック図の空欄（基準水晶発振器→位相比較器→低域フィルタ LPF→電圧制御発振器 VCO、出力を可変分周器で戻す）が陸特・3アマで出る。水晶発振は安定だが周波数はほぼ固定。IDC 回路は発振の安定化ではなく周波数偏移の制限。

発振回路は、何も入力しなくても自分で一定の周波数の波を作り続ける回路です。増幅器の出力の一部を入力に戻す（正帰還）と、特定の周波数だけが育って振動が続きます。送信機ではこの出力が搬送波になります。

増幅器と帰還回路のループで発振回路の原理を示した図。共振回路と水晶振動子が周波数を決める
発振の仕組み。増幅器の出力の一部を同じ位相で入力に戻すと振動が続く

水晶発振回路：安定だが固定

水晶発振回路の特徴（3アマの正誤問題）

  • 安定度が高い 水晶振動子は Q が極めて高く、温度や電源電圧が変わっても周波数がほとんど動きません
  • 周波数は水晶片で決まる 厚さなどの寸法で固有振動数が決まり、薄いほど高い周波数です。連続的に広く変えることはできません
  • 大電力には向かない 大きな電力を加えると発熱や周波数変動を招くので、小さな出力で発振させ後段で増幅します
水晶振動子の図記号と等価回路、厚い水晶片と薄い水晶片の周波数の違いを示した図
水晶振動子。図記号と等価回路、水晶片の厚さで周波数が決まる

PLL 周波数シンセサイザ：安定で、しかも可変

PLL のブロック図。基準水晶発振器、位相比較器、低域フィルタ、電圧制御発振器が並び、出力が可変分周器を通って位相比較器に戻る
PLL 周波数シンセサイザの構成。基準水晶発振器→位相比較器→低域フィルタ→VCO、出力を可変分周器で戻す
出力周波数
f_o = N\, f_r

fr：基準水晶発振器の周波数、N：可変分周器の分周比。N を変えると出力 fo が fr 刻みで切り替わり、安定度は水晶並み

位相比較器は、基準の fr と、出力を 1/N に分周した信号の位相のずれを電圧にします。低域フィルタでその電圧を直流に近い制御電圧にならし、VCO の周波数を動かします。ずれがなくなるところで止まるので、出力は fr の N 倍に固定されます。

典型問題の解き方（PLL の空欄）

2陸特 例題 No.2 問21：周波数シンセサイザの図の A・B に入る名称は

  1. A の位置を見る 基準水晶発振器と可変分周器の出力が両方入る箱は位相比較器です。2 つの信号を比べる場所です
  2. B の位置を見る 位相比較器と VCO の間は、誤差信号を直流の制御電圧にする低域フィルタ（LPF）です
  3. 誤りの肢を消す IDC は FM 送信機で周波数偏移を制限する回路、HPF では直流の制御電圧が取り出せません。答えは「A 位相比較器、B LPF」
ひっかけ

「発振周波数を安定にする」のは水晶発振器や PLL の役割で、IDC 回路や緩衝増幅器の目的ではありません。緩衝増幅器は発振器の次段に置いて後段の影響を遮る回路です。局部発振器に求められるのは「スプリアスが少なく周波数が安定」で、水晶発振器であることは必須ではありません。周波数のずれの許される幅は法規の周波数の許容偏差で定めます。

先生の挿絵。PLL のブロック図のパネルの前で説明する無線従事者
搬送波を作るのは発振回路。水晶は安定、PLL は安定で可変

この用語を押さえる問題

三陸特 ・ 日本無線協会 令和2年10月期 無線工学 問19

搬送波を発生する回路は、次のうちどれか。

正答: 発振回路

搬送波は一定周波数の高周波であり、発振回路（水晶発振回路や周波数シンセサイザ）で発生させる。

この問題を解く
二陸特 ・ 日本無線協会 CBT例題 無線工学 No.2 問21

図は、周波数シンセサイザの構成例を示したものである。［ ］内に入れるべき名称の組合せで、正しいのはどれか。下の番号から選べ。

正答: Ａ：位相比較器　Ｂ：低域フィルタ(LPF)

PLL 周波数シンセサイザは、基準信号と可変分周器の出力を位相比較器で比べ、その誤差を低域フィルタ(LPF)で直流に平滑して電圧制御発振器(VCO)を制御します。IDC は FM 送信機の過変調防止回路で、ここには入りません。

この問題を解く
3アマ ・ 日本無線協会 CBT例題 無線工学 No.2 問19

図は、位相同期ループ（PLL）を用いた一般的な発振器の構成例を示したものである。［ ］内に入れるべき字句で、正しいのは次のうちどれか。

正答: 低域フィルタ（LPF）

位相比較器の出力には位相差に応じた直流分のほかに高周波のリプルが含まれるので、低域フィルタで直流の制御電圧だけを取り出して電圧制御発振器に加える。

この問題を解く
3アマ ・ ブートラボ オリジナル問題 無線工学 No.1 問20

水晶発振回路の特徴についての記述で、正しいのは次のうちどれか。

正答: 発振周波数の安定度が高い。

正しい。水晶振動子は Q が極めて高く、温度や電源電圧の変化による発振周波数の変動が小さい。このため送信機の基準発振器や受信機の局部発振器に広く用いられる。

この問題を解く

問われた問題 40

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