オシレータ：定義、種類、および応用
オシレーターとは
オシレーターは、入力なしで連続的かつ反復的な交流波形を生成する回路です。オシレーターは基本的に直流電源からの一方方向の電流フローを、その回路構成要素によって決定される所望の周波数を持つ交流波形に変換します。
オシレーターの動作原理は、図1に示すLCタンク回路の挙動を分析することで理解できます。この回路では、インダクタLと完全に充電されたコンデンサCが使用されています。まず、コンデンサがインダクタを通じて放電し始め、その電気エネルギーが電磁場に変換され、インダクタに蓄積されます。コンデンサが完全に放電すると、回路には電流が流れなくなります。
しかし、その時点で蓄積された電磁場により逆起電力が発生し、以前と同じ方向に電流が回路を流れるようになります。この電流は、電磁場が崩壊し、電磁エネルギーが再び電気エネルギーに変換されるまで続き、サイクルが繰り返されます。ただし、今度はコンデンサが逆極性で充電されているため、出力として振動波形が得られます。
しかし、二つのエネルギー形式間の相互変換による振動は永遠に続くことはありません。回路の抵抗によるエネルギー損失の影響を受けます。結果として、これらの振動の振幅は徐々に減少しゼロになり、減衰性質となります。
これは、持続的かつ一定の振幅を持つ振動を得るためには、エネルギー損失を補償する必要があることを示しています。ただし、供給されるエネルギーは正確に制御され、損失したエネルギーと等しくなければなりません。
これは、供給されるエネルギーが損失したエネルギーよりも多い場合、振動の振幅は増加し（図2a）、歪んだ出力になります。一方、供給されるエネルギーが損失したエネルギーよりも少ない場合、振動の振幅は減少し（図2b）、持続可能な振動にはなりません。
実際には、オシレーターは正または再生フィードバックが提供されたアンプ回路であり、出力信号の一部が入力に戻される（図3）。ここでのアンプにはトランジスタやOp-Ampなどの活性化要素があり、位相一致のフィードバック信号が回路内の損失を補うことで振動を維持します。
電源がオンになると、システム内の電子ノイズにより振動が始まります。このノイズ信号はループを巡り、増幅されてすぐに単一の周波数の正弦波に収束します。図3に示すオシレーターの閉ループゲインの式は以下の通りです：
ここでAはアンプの電圧ゲイン、βはフィードバックネットワークのゲインです。Aβ > 1の場合、振動の振幅は増加します（図2a）；一方、Aβ < 1の場合、振動は減衰します（図2b）。また、Aβ = 1の場合、振動の振幅は一定となり（図2c）、自己持続的な振動回路となります。
オシレータータイプ
多くの種類のオシレーターがありますが、主に2つのカテゴリーに分類できます：調和オシレーター（線形オシレーターとも呼ばれます）とリラクセーションオシレーター。
調和オシレーターでは、エネルギーの流れは常に能動部品から受動部品へと流れ、振動の周波数はフィードバックパスによって決定されます。
一方、リラクセーションオシレーターでは、エネルギーは能動部品と受動部品の間で交換され、振動の周波数は充電と放電の時間定数によって決定されます。さらに、調和オシレーターは低歪みの正弦波出力を生成するのに対し、リラクセーションオシレーターは非正弦波（のこぎり波、三角波、矩形波など）を生成します。
主なオシレータータイプには以下があります：
ワイエンブリッジオシレーター
RC位相シフトオシレーター
ハートリー・オシレーター
電圧制御オシレーター
コルピッツオシレーター
クラップオシレーター
水晶オシレーター
アームストロングオシレーター
チューニドコレクターオシレーター
ガンオシレーター
クロスカップリングオシレーター
リングオシレーター
ダイナトロンオシレーター
マイスナー・オシレーター
光電オシレーター
ピアース・オシレーター
ロビンソン・オシレーター
トリテット・オシレーター
ピアソン・アンソン・オシレーター
ディレイライン・オシレーター
ロイヤー・オシレーター
電子結合オシレーター
マルチウェーブ・オシレーター
オシレーターは考慮されるパラメータによって様々なタイプに分類することもできます。例えば、フィードバック機構、出力波形の形状などに基づいて分類することができます。これらの分類は以下の通りです：
フィードバック機構に基づく分類： 正のフィードバックオシレーターと負のフィードバックオシレーター。
出力波形の形状に基づく分類： 正弦波オシレーター、方形波または矩形波オシレーター、ソーウェーブ出力を生成するスウィープオシレーターなど。
出力信号の周波数に基づく分類： 低周波オシレーター、音声周波数帯域の出力を持つオーディオオシレーター、無線周波数オシレーター、高周波オシレーター、非常に高周波オシレーター、超高周波オシレーターなど。
使用される周波数制御のタイプに基づく分類： RCオシレーター、LCオシレーター、周波数安定化された出力波形を生成するために水晶を使用する水晶オシレーターなど。
出力波形の周波数の性質に基づく分類： 固定周波数オシレーターと可変または調整可能な周波数オシレーター。
オシレーターの応用
オシレーターは特定の周波数の信号を生成する安価で簡単な方法です。たとえば、RCオシレーターは低周波信号を生成し、LCオシレーターは高周波信号を生成し、Op-Ampベースのオシレーターは安定した周波数を生成します。
振動の周波数はポテンショメータの配列でコンポーネント値を変えることで変更できます。
オシレーターの一般的な応用例には以下があります：
水晶腕時計（水晶オシレーターを使用）
様々なオーディオシステムやビデオシステムに使用
様々な無線、テレビ、および他の通信機器に使用
コンピュータ、金属探知機、スタンガン、インバータ、超音波および無線周波数アプリケーションに使用
マイクロプロセッサやマイクロコントローラのクロックパルス生成に使用
アラームやブザーに使用
金属探知機、スタンガン、インバータ、および超音波に使用
装飾ライト（例：ダンシングライト）の動作に使用
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