【電子回路】NOTゲート2個の矩形波発振回路

　NOTゲート(インバータ)を2個用いた矩形波発振回路の動作原理をようやく理解したので記事にしておく。

回路図
動作原理
終わりに

回路図

　回路図は下記のようになる。

　上記2つの回路図はいずれも同じ回路を示している(図1の方が良く見かけるものだと思う)。

回路図の変形については下記を参照。

【電子回路】回路図の読み方

会社の都合で電子回路設計をやることが決まってから早数か月。　ほとんど進歩していないが(というかスタートがマイナスだったし)新しく学んだことやコツをアウトプットしていこうと思う。　まずは回路図の読み方について。電源とGND(グラウンド、接地)...

　電源が5Vの直流電源とすると、いずれも右端の白丸から5Vと0Vが一定の周期で交互に出力される。

　回路図内に電源とGNDが見つからないが、この2つはNOTゲート(インバータ)の背後に隠れていると思っていれば良い。

　電源が5Vの直流電源とすると、NOTゲートの入力が5Vなら、出力はGND(0V)に落ちる。

　逆にNOTゲートの入力がGNDに落ちているとき、出力側は5Vとなる。

　2つある抵抗のうちのRsは、NOTゲートを保護する保護抵抗である。
　(なぜこれが保護抵抗の役割を果たすのかは、後々見ていく。)

　コンデンサーは、最初は充電されていない状態であるとする。

　また、NOTゲートのスレッショルド電圧(閾値)は2.5Vとする。

スレッショルド電圧
　NOTゲートの出力が反転する境となる電圧値。
　5V入力で0V出力の状態から入力電圧を下げていく場合、2.5V入力までは0V出力が保たれ、これを下回ると5V出力に切り替わる。
　逆に0V入力で5V出力の状態から入力電圧を上げていく場合、2.5V入力までは5V出力が保たれるが、これを上回ると0V出力に切り替わる。

動作原理

　では発振原理を見ていく。

　最初にNOT1に0Vが入力されたとすると、電流は図3の青線のルートで流れる。

　NOT1の入力が0Vのとき、背後にある電源から5Vが出力側に供給され、NOT1の出力側から電流が流れる。

　このとき、NOT2の入力側はNOT1の出力側と接続されているため、NOT2の入力側は5Vとなる。

　電流は電圧が低い方へ流れていくため、分岐A⇒NOT2の入力側には流れず、分岐A⇒抵抗Rのルートへ流れる(このルートは最終的にGNDに落ちる)。

　Rを通って分岐Bに差し掛かるが、保護抵抗があるルートへは電流は流れず、もう片方のルートへほとんどの電流が流れる。
　(仮にこの保護抵抗が無いと、多くの電流がそのままNOTゲートに流れてしまい、NOTゲートが故障する可能性がある。)

　コンデンサーを通過した電流は最終的にNOT2の出力側に到達し、GNDに落ちる。
　(もちろん、分岐Cの右側にも電流が流れても良い。)

　さて、ここで図3を下図のように描き直し、コンデンサーに着目する。

　最初はコンデンサーは充電されていないが、電流が流れることでコンデンサーが充電されていき、充電電圧が大きくなっていく。

　充電電圧が大きくなると、コンデンサーと等電位であるNOT1の入力側の電位も充電電圧と連動して大きくなる。
　(抵抗Rsで電圧降下が起きて等電位にならないのでは？と思うかもしれないが、Rsにはほとんど電流が流れないため電圧降下は起きない。分岐Bでの電圧を\(V_{\text{B}}\)、NOT1の入力側の電圧を\(V_{\text{in}}\)、抵抗Rsを流れる電流を\(I_{\text{Rs}}\ll 1\)とすると、\(V_{\text{in}}= V_{\text{B}} – I_{\text{Rs}} Rs\simeq V_{\text{B}}\)となるため、コンデンサーとNOT1の入力側は等電位と思って良い。)

　図6は分岐Bでの電圧値\(V_{text{B}}\)と、出力側(回路図右端の白丸)の電圧値\(V_{\text{O}}\)の時間変化を示している。

　そして充電電圧が2.5Vに達すると、NOT1の入力側も2.5V、すなわちスレッショルド電圧に達するため、出力が0Vに切り替わる。

　ではNOT1の出力が0Vになると電流はどう流れるか。

　もう一度図2に立ち返って考えると下図のようになる。