JP5275508B1 - 発振方法及び発振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】凸型状のパルス波の生成が可能な発振回路を提供する。
【解決手段】ＭＯＳＦＥＴを複数個リング状に接続した発振回路を用いた発振方法であって、ＭＯＳＦＥＴの駆動電源のＧＮＤではなく各ＭＯＳＦＥＴ同士の接続回線のうちの一部にＧＮＤをとり、ＧＮＤをとった箇所から奇数個のＭＯＳＦＥＴを接続した先の接続回線からプローブをとり、プローブとＧＮＤとの間で発振波形を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は発振方法及び発振回路に関する。

インバータを奇数個接続して閉回路を構成したものは発振器となる。このような回路はリング発振器として一般的に知られている。

また、特許文献１には、より高い発振周波数を実現するためのリング発振器が開示されている。
特許文献１のリング発振器は、４個のインバータ（偶数個のインバータ）から成る四角形状のメインループ回路に、３個のインバータ（奇数個のインバータ）から成る三角形状のループ回路を、励起回路として複数設ける構成を採用している。

特許文献２には、３個のインバータからなるリング状のメインリングが複数設けられ、複数のインバータがリング状に接続された位相結合リングが設けられ、各メインリングの接続ノードが、それぞれ位相結合リングの異なる第２接続ノードに接続され、位相結合リングの第２接続ノード間が、第２位相結合素子である抵抗により接続された発振回路が記載されている。

特開２０１０−５０５９１号公報 特開２０１１−１９０５３号公報

上述した従来の発振器は、単なるパルス波を発振するものであった。しかし、本発明者等は、さらに山が少なくとも２つある凸型状（階段状）のパルス波の生成を検討すべきであると考えた。例えば山が２段階になっている凸型状のパルス波には、パルス波の最大値と中間値と最低値が生成されるが、本発明者等は、中間値を０とみなすことで＋と−の演算が容易に行えると言うことに想到した。すなわち、従来のパルス波を用いて、何らかの演算を行おうとする場合には、−の値には補数をとる必要があったが、凸型状のパルス波を用いることで直接的に−の値を演算可能となるはずである。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、凸型状のパルス波の生成が可能な発振方法及び発振回路を提供することにある。

本発明にかかる発振方法によれば、ＭＯＳＦＥＴを複数個リング状に接続した発振回路を用いた発振方法であって、ＭＯＳＦＥＴの駆動電源のＧＮＤではなく各ＭＯＳＦＥＴ同士の接続回線のうちの一部にＧＮＤをとり、ＧＮＤをとった箇所から奇数個のＭＯＳＦＥＴを接続した先の接続回線からプローブをとり、プローブとＧＮＤとの間で発振波形を得ることを特徴としている。
この方法によれば、凸型状のパルス波の生成が可能である。

また、本発明にかかる発振回路によれば、３個のインバータがリング状に接続された６個の小回路を備え、小回路のうち一方の３個は、電流が右回りに流れるようなインバータの接続構成であり、小回路のうち他方の３個は、電流が左回りに流れるようなインバータの接続構成であり、これら６個の小回路を、各小回路のうちのいずれか1つのインバータが六角形となるように接続され、接続された六角形の頂点は、小回路を構成するインバータがアノード同士、カソード同士で接続され、カソード同士で接続された六角形の３つの頂点のそれぞれに、インバータのアノードが接続され、３つの頂点に接続された各インバータのカソードが１点に接続されるカソード中点を有する第１星形回路を備え、３個のインバータがリング状に接続された６個の小回路を備え、小回路のうち一方の３個は、電流が右回りに流れるようなインバータの接続構成であり、小回路のうち他方の３個は、電流が左回りに流れるようなインバータの接続構成であり、これら６個の小回路を、各小回路のうちのいずれか1つのインバータが六角形となるように接続され、接続された六角形の頂点は、小回路を構成するインバータがアノード同士、カソード同士で接続され、アノード同士で接続された六角形の３つの頂点のそれぞれに、インバータのカソードが接続され、３つの頂点に接続された各インバータのアノードが１点に接続されるアノード中点を有する第２星形回路を備え、第１星形回路の小回路２個と、第２星形回路の小回路２個は共有され、第１星形回路と第２星形回路が結合した並列星形回路を備え、並列星形回路はそれぞれ同じ構成である、第１並列星形回路と、第２並列星形回路と、第３並列星形回路との３個が接続されていることを特徴としている。

この構成を採用することにより、３つ並列星形回路のうちのいずれかのアノード中点と、このアノード中点の周囲に構成されている小回路のうちの何れかの頂点との間で、２段の階段状のパルス波が生成される。

本発明の発振方法及び発振回路によれば、凸型状のパルス波を出力することができる。

本発明に係る発振方法について説明する説明図である。 図１におけるプローブＰで得られる波形である。 図１におけるプローブＱで得られる波形である。 図１におけるプローブＳで得られる波形である。 図１におけるプローブＲで得られる波形である。 本発明に係る発振回路の実施形態を説明する概略図である。 測定ポイントを示す説明図である。 実際に測定した波形を示す説明図である。

まず、本実施形態の発振方法について説明する。
ＭＯＳＦＥＴをリング状に接続したリング発振器そのものは従来より知られているが、本実施形態では、波形を出力する箇所をどこからとるかに特徴を有している。
図１に、本実施形態の発振方法に用いる回路と、その発振方法を示している。図１に示す実施形態では、９個のＭＯＳＦＥＴをリング状に接続している。ここでは、ＭＯＳＦＥＴとして、ＭＯＳＦＥＴのインバータが集積されているルネサスエレクトロニクス株式会社のＨＤ７４ＨＣ１４Ｐを用いた。

図１では、電源回路については図示していないが、直流１．４ＶをＨＤ７４ＨＣ１４Ｐの電源端子Ｖｃｃと、電源端子ＶｃｃのＧＮＤとの間に印加している。
図１における９個直列に接続したインバータの一番上のインバータ１のアノードにプローブのＧＮＤをとる。そして、ＧＮＤをとったインバータ１から３個目のインバータ３のカソードにプローブをとる。このインバータ３から出力される波形をＰとする。
また、ＧＮＤをとったインバータ１から５個目のインバータ５のカソードにプローブをとる。このインバータ５から出力される波形をＱとする。
また、ＧＮＤをとったインバータ１から７個目のインバータ７のカソードにプローブをとる。このインバータ７から出力される波形をＳとする。
また、ＧＮＤをとったインバータ１から８個目のインバータ８のカソードにプローブをとる。このインバータ８から出力される波形をＲとする。

図２には、３個のインバータによって発振した波形Ｐを示す。この波形を見ると、２段階に山が形成された波形が繰り返されている。したがって、このような出力波形は、山が２段階になっている凸型状の波形といえる。

図３には、５個のインバータによって発振した波形Ｑを示す。この波形を見ると、２段階に山が形成された波形が繰り返されている。したがって、このような出力波形は、山が２段階になっている凸型状の波形といえる。

図４には、７個のインバータによって発振した波形Ｓを示す。この波形も、図２，図３とは時間軸方向（横軸）の長さのバランスが異なるだけであって、図２，図３と同様に山が２段階になっている凸型状の波形といえる。

図５には、８個のインバータによって発振した波形Ｒを示す。一般的には、偶数個のインバータをリング接続しても発振しないはずであるが、本実施形態では発振波形が得られている。

なお、図２〜図５に示した発振波形の全て、発振波長が１９６０ｎｓｅｃである（すなわち、発振周波数は、５１０．２０４０８１ｋＨｚ）。なお、発振波長の１９６０は７×７×４０であって７の倍数である。
このように、凸型状の発振波形が得られることで、将来的にこのような波形を用いた演算等が容易に行われることが期待できる。

また、図３に示した発振波形は、他図面の発振波形と比較すると最も凸型形状のバランスがよい。したがって、本願発明の目的とする凸型の波形を得るには５個のインバータによって発振させることが好ましいといえる。
後述する星形回路においても、何れかのアノードからカソード中点に至る際に奇数個のインバータを通る最短経路は５個のインバータを通る場合であり、アノード中点からいずれかのカソードに至る際に奇数個のインバータを通る最短経路は５個のインバータを通る場合である。すなわち、後述する発振回路は、上述してきた発振方法を応用したものと考えられる。

次に、発振回路の実施形態について説明する。
本発明にかかる発振回路は、インバータを複数接続して構成されている。まず、全体構成を説明し、徐々に詳細な構成を説明していく。
本実施形態の発振回路３０は、図６に示すように、２つの星形回路３４，３６を平面的に接続した並列星形回路３２を３つ具備しており、それぞれ符号３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃとして図示している。
これら３つの並列星形回路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、それぞれ同じ構成である。各並列星形回路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、２つの異なる星形回路３４、３６が一部重なって（ダブって）構成されている。

各並列星形回路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを構成する２つの星形回路は、上記のように２種類あり、中心に向けて電流が流れる方向のもの（符号３６）、中心から電流が周囲方向に流れるもの（符号３４）である。
符号３６の星形回路３６の中心は、３つのインバータのカソードが１点で接続されており、以下カソード中点Ｋと称する。また、符号３４の星形回路の中心は、３つのアノードが１点で接続されており、以下アノード中点Ａと称する。

３つの並列星形回路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃは、電気的に接続されている。具体的には、並列星形回路３２Ａのアノード中点Ａと、並列星形回路３２Ｂのカソード中点Ｋとが接続されている。また、並列星形回路３２Ａのカソード中点Ｋと、並列星形回路３２Ｃのアノード中点Ａとが接続されている。また、並列星形回路３２Ｃのカソード中点Ｋと、並列星形回路３２Ｂのアノード中点Ａとが接続されている。
なお、図６では、各並列星形回路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの接続配線は破線で図示している。

図面では、３つの並列星形回路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを平面上に配置させたところを示しているが、各並列星形回路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは上記のような電気的な接続がなされていれさえすればよく、特に配置方法についてはどのようなものであってもよい。

次に、並列星形回路の構成について説明する。
各並列星形回路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、２つの星形回路が一部のインバータを共有して構成された２つの星形回路３４、３６を有している。
各星形回路３４、３６は、３個のインバータがリング状に接続された小回路２０を６つ有している。各小回路２０は、インバータの方向が揃っており、小回路１つでリング発振器を構成することも可能である。

各小回路２０は、３個のインバータを使用して三角形状になっているが、３個のインバータが平面上に配置された際に平面視した場合において、電流が右回りに流れる構成か、左回りに流れる構成かの相違により、二種類の構成がある。
なお、二種類といっても、表裏をひっくり返すことで、インバータの向きは反対方向に向くようにできるので、実質的に二種類あるわけではない。すなわち、複数の小回路２０を接続する際にどのような向きで接続するかで相違がある。

星形回路３４、３６は、６個の小回路を接続して構成されている。小回路２０を構成する３個のインバータのうちの1個のインバータ同士をリング状に接続することによって、星形回路３４，３６の外周部分の六角形が構成されている。

なお、各星形回路３４，３６では、外周部分を構成する６個の小回路２０は、電流の流れる方向が交互に逆方向となるように接続されている。つまり、電流が右回りに流れる構成の小回路２０ａの両隣は電流が左回りに流れる構成の小回路２０ｂが接続されており、電流が左回りに流れる構成の小回路２０ｂの両隣は電流が右回りに流れる構成の小回路２０ａが接続されている。

また、星形回路のうち、上述したアノード中点Ａを有する星形回路３４は、６個の小回路が構成する六角形の頂点のうちアノード同士が接続されている３箇所の接続部分ａ１から、中心方向に向かって、インバータのカソードが接続されている。
星形回路３４の外周部分の六角形を構成するインバータは、互い違いに向きが異なるように接続されているので、アノード同士が接続されている接続部分ａ１は３箇所である。したがって、アノード同士が接続されている接続部分から中心方向に向かって設けられたインバータは３個である。この３個のインバータのアノードが1点で接続されてアノード中点Ａを構成する。

また、星形回路のうち、上述したカソード中点Ｋを有する星形回路３６は、６個の小回路が構成する六角形の頂点のうちカソード同士が接続されている接続部分ｋ１から中心方向に向かって、インバータのアノードが接続されている。
星形回路３６の外周部分の六角形を構成するインバータは、互い違いに向きが異なるように接続されているので、カソード同士が接続されている接続部分ｋ１は３箇所である。したがって、カソード同士が接続されている接続部分から中心方向に向かって設けられたインバータは３個である。この３個のインバータのカソードが1点で接続されてカソード中点Ｋを構成する。

アノード中点Ａを有する星形回路３４と、カソード中点Ｋを有する星形回路３６とは、２つの小回路２０ａ、２０ｂを共有して接続されている。なお、共有部分においては、星形回路３４のアノード中点Ａを構成するインバータのカソードと、星形回路３６のカソード中点Ｋを構成するインバータのアノードとが接続されている。したがって、１つの並列星形回路において、星形回路３４のアノード中点Ａと星形回路３６のカソード中点Ｋとは最短で２つのインバータで接続されていることとなる。

本実施形態の発振回路は、３つの並列星形回路３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを、ある１つのカソード中点Ｋと別の並列星形回路のアノード中点Ａを接続し、このアノード中点Ａを有する並列星形回路のカソード中点Ｋをさらに別の並列星形回路のアノード中点Ａに接続し、このアノード中点Ａを有する並列星形回路のカソード中点を最初の並列星形回路のアノード中点Ａに接続している。

そして、図７に示すように、この発振回路の、いずれかの並列星形回路のアノード中点Ａにグラウンドをとる。プローブをとる場所は、グラウンドをとった箇所以外のいずれかの並列星形回路のアノード中点Ａ又はカソード中点Ｋである。すると、凸型状の波形が出力される。

（実施例）
実際に、本実施形態の発振回路を作製して、波形の取得を試みた。
インバータはルネサスエレクトロニクス株式会社のＨＤ７４ＨＣ１４Ｐを用い、これを図２に示した回路構成となるように接続した。ＨＤ７４ＨＣ１４Ｐへの供給電圧は直流１．２０２Ｖとした。
測定機器は、アジレントテクノロジー社のＵ１６００Ｂを採用した。これはハンドヘルド型の測定器である。

図８に示すように、この発振回路では、波長が５６μｓｅｃで、最高値、中間値、最低値の３つの値が順番に繰り返し現れる階段状の波形が出力された。発振波長が５６μｓｅｃであるから、周波数としては１７８５７．１４２８５７Ｈｚである。
なお、図８に示された発振波長の５６も７×８で７の倍数である。図２〜図５に示した波形もその波長は７の倍数である。このように、本発明にかかる発振方法及び発振回路によれば、７の倍数となる発振波形が得られることが明らかになった。

ここで特筆すべきは、出力波形の測定ポイントの取り方である。今回の発振回路では、ＧＮＤを何れかの並列星形回路のアノード中点又はカソード中点からとるようにしている。また、電源回路のＧＮＤは並列星形回路のアノード中点又はカソード中点には接続されていない。このため、図８に示されるような特徴的な波形が生成されるものと考えられる。

２０ 小回路
３０ 発振回路
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 並列星形回路
３４、３６ 星形回路
Ａ アノード中点
Ｋ カソード中点

Claims (2)

1. ＭＯＳＦＥＴを複数個リング状に接続した発振回路を用いた発振方法であって、
   ＭＯＳＦＥＴの駆動電源のＧＮＤではなく各ＭＯＳＦＥＴ同士の接続回線のうちの一部にＧＮＤをとり、ＧＮＤをとった箇所から奇数個のＭＯＳＦＥＴを接続した先の接続回線からプローブをとり、プローブとＧＮＤとの間で発振波形を得ることを特徴とする発振方法。
2. ３個のインバータがリング状に接続された６個の小回路を備え、
   小回路のうち一方の３個は、電流が右回りに流れるようなインバータの接続構成であり、
   小回路のうち他方の３個は、電流が左回りに流れるようなインバータの接続構成であり、
   これら６個の小回路を、各小回路のうちのいずれか1つのインバータが六角形となるように接続され、
   接続された六角形の頂点は、小回路を構成するインバータがアノード同士、カソード同士で接続され、
   カソード同士で接続された六角形の３つの頂点のそれぞれに、インバータのアノードが接続され、
   ３つの頂点に接続された各インバータのカソードが１点に接続されるカソード中点を有する第１星形回路を備え、
   ３個のインバータがリング状に接続された６個の小回路を備え、
   小回路のうち一方の３個は、電流が右回りに流れるようなインバータの接続構成であり、
   小回路のうち他方の３個は、電流が左回りに流れるようなインバータの接続構成であり、
   これら６個の小回路を、各小回路のうちのいずれか1つのインバータが六角形となるように接続され、
   接続された六角形の頂点は、小回路を構成するインバータがアノード同士、カソード同士で接続され、
   アノード同士で接続された六角形の３つの頂点のそれぞれに、インバータのカソードが接続され、
   ３つの頂点に接続された各インバータのアノードが１点に接続されるアノード中点を有する第２星形回路を備え、
   第１星形回路の小回路２個と、第２星形回路の小回路２個は共有され、第１星形回路と第２星形回路が結合した並列星形回路を備え、
   並列星形回路はそれぞれ同じ構成である、第１並列星形回路と、第２並列星形回路と、第３並列星形回路との３個が設けられ、
   第１並列星形回路のアノード中点と、第２並列星形回路のカソード中点とが接続され、
   第２並列星形回路のアノード中点と、第３並列星形回路のカソード中点とが接続され、
   第３並列星形回路のアノード中点と、第１並列星形回路のカソード中点とが接続されていることを特徴とする発振回路。