JPH01130617A - 電圧制御発振回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、負性抵抗発光素子を用いた電圧制御発振回路
に関するものである。

〈従来の技術〉 一般に負性抵抗素子と、コンデンサとタイミング回路と
によって、コンデンサの充放電にともなう弛張発振回路
が形成されることはよく知られており、ＰＵＴ（プログ
ラマブル、ユニジャンクシ−ヨントランジスタ）、ＵＪ
Ｔ（ユニジャンクショントランジスタ）、あるいはサイ
リスタなどの半導体素子を用いた発振回路が各種提案さ
れている。

これら発振回路の出力周波数によって変調された光信号
を得たい場合には、当該発振回路に駆動回路を介在させ
た光源？接続しなけ九ばならないった。また、発光を伴
う弛張発振回路としては放電管を用いたものが知られて
いるが、電源電圧に高電圧を必要とし、しかも周波数の
設定は自在でないなどの問題点がある。

このような問題点を解決するものとして、負性抵抗発光
素子を用いた発振回路が提案されている。

負性抵抗発光素子（以下、ＧＮＤと記す）はガリウムヒ
素（以下、ＧａＡｓと記す）を母体としたＰＮＰＮの４
層構造を有する素子であり、同じＰＮＰＮ４層構造のシ
リコン（以下、Ｓｉと記す）を母体とするシリコン制御
整流素子（ＳＣＲ，いわゆるサイリスタ）と同様、電気
的に負性抵抗特性を有するとともに、ＧａＡｓがＳｉと
異なり直接遷移形の半導体に属することによって、通常
のＧａＡｓ発光ダイオ−、ドと同じく発光機能も併有し
ている。即ち、ＧＮＤは電気的には負性抵抗素子、光学
的には発光素子としての両方の特性を備えている。

第５図は、従来技術による電圧制御発振回路の電気回路
図である。第６図、第７図はこの電気回路の動作ｔ−説
明する波形図である。

今、時刻ｔ４で電源電圧Ｖｃが投入されたとすると、時
１１１ｊＴ４の間、コンデンサ５はトランジスタ６のエ
ミッタ電流によって充電される。時刻ｔ５でＧＮＤ３の
両端の電圧がそのスイッチング電圧ＶｓＫ達し、ＧＮＤ
３はターンオンする。すると、コンデンサ５の充電電荷
がＧＮＤ３とダイオード４の順方向直列回路を介して放
電し、第７図に示すような放電電流ＩｆによってＧＮＤ
２が発光する。

この放電電流Ｉｆによって、コンデンサ５の端子電圧Ｖ
ｆは時刻ｔ５〜ｔ６の時間Ｔ５内で、ＧＮＤ３の保持電
圧ｖｈにダイオード４の電圧降下分ΔＶだけプラクした
電位まで急速に下降する。

その後、時刻ｔ６〜ｔ７の時間Ｔ６中は電位が変化しな
い。この間はＧＮＤ３が完全に遮断されるのに必要な時
間で１回の発振で流れた電荷量が多いほど長くなる。

ＧＮＤ３が遮断されると、再びコンデンサ５の充電が行
われ、時刻ｔ７〜ｔ８の時間Ｔ７内は充電を続け、時刻
ｔ８で放電を始める。以後、端子電圧Ｖｆの上昇下降を
周期的に繰り返す弛張発振を行なう。

この発振回路の発振周波数ｆは、 ｆ＝１／（Ｔ５＋Ｔ６＋Ｔ７）・・・・（１）と表すこ
とができ、通常Ｔ５（Ｔ７であるので、第１式は、 ｆ＝１／（Ｔ６＋Ｔ７）　　・・・・・・（２）となる
。また、コンデンサ５の静電容量Ｃが小さい時には、Ｇ
ＮＤ３が遮断状態になるのに要する時間Ｔ６は短い。し
たがって、 ｆ＝１／Ｔ７　　　　・・・・・・・・・・（３）が成
り立つ。

充電に要する時間Ｔ７は、エミッタ電流Ｉｅｔ−定電流
化すれば、 Ｔ７＝Ｃ・（ｖｓ′ｅ／■ｅ）・・・・・・・（４）と
なる。ただし、Ｖｓｅ　＝Ｖｆ　（ｔ８）　−Ｖｆ（ｔ
７）また、トランジスタ６のベース電流Ｉｂトエミッタ
電流Ｉ　ｅ　％および電界効果型トランジスタ（以下、
ＦＥＴと記す）７のゲート電圧Ｖｇとドレイン電流１ｄ
について、 ＩｂｔＩｅ、ｖｇｔＩｄ・・・・・・・・（５）の関係
が成り立つように設定すると、時１！］Ｔ７で示される
コンデンサ５の充電期間中は、ＧＮＤ３は遮断状態にあ
るからＩｄ＝Ｉｂとなり、比例定数をＨとおけば、 Ｉｅ＝Ｈ−Ｖｇ・・・・・・・・・・（６）したがって
、上記の時間Ｔ７は第４式、第６式から、 Ｔ　７＝　（ＶＳｅ／Ｈ）　−（Ｃ／ｖｇ）　・−−（
７）Ｖｓｅ／Ｈは定数であり、これを改めてＨとおくと
、第３式、第７式から、 ｆ＝ｖｇ／（Ｃ−Ｈ）・・・・・・・（８）となり、発
振回路の発振周波数ｆはＦＥＴ７のゲート電圧ＶｇＫ比
例し、電圧制御発振回路を構成している。なジ、光強度
を増すためにダイオード４ケ発光ダイオードに置き換え
ることができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、従来の発振回路において、上述したように光
強度を増すために、ダイオード４を、直列に複数個接続
した発光ダイオードに置き換えると、ＧＮＤ３と発光ダ
イオードの内部抵抗値の和が増え、放ｉｔ！％ｒ流のピ
ーク値が減少し、全体の光強度はあまり増えない。これ
を防ぐためにコンデンサ１６の静電容量を増やすと、放
電電流のピーク値を上げることができるが、流れる電荷
量が増えるのでＧＮＤ３が完全に遮断状態になるまでの
時間が長くなる。したがって′、ＦＥＴ７のゲート電圧
Ｖｇと発振周波数ｆとの直線性が悪くなり、発振周波数
も低く抑えられる。

本発明は、上記のような場合に、ＧＮＤが完全に遮断状
態になるまでの時間を小さく抑え、発振周波数を高くす
るとともに、制圓電圧と発振周波数の間の直線性を良く
することを目的としている。

く問題点を解決するた泊の手段〉 本発明は、負性抵抗発光素子と、負性抵抗発光素子に並
列に接続される充放電コンデンサと、入力印加電圧によ
る充電定電流設定可能な回路とを含み、入力印加電圧に
よって発振周波数が可変となっている電圧制御発振回路
に、負性抵抗発光素子に直列にインダクタンスを付は加
えたものである。

く作　用〉 本発明に従えば、インダクタンスを接続したことにより
、負性抵抗発光素子を強制的に遮断状態にすることがで
き、コンデンサの放電後、充電を始めるまでの時間が短
縮されるので、発振周波数を高く設定でき、ま比制御電
圧と発振周波数の直線性を良くできる。

〈実施例〉 第１図は、本発明の一笑施例の構成を示す電気回路図で
ある。

本実施例の電圧制御発振回路は、インダクタンスＬｔ−
有するコイル２とＧＮＤＳとダイオード４■順方向直列
回路に、充放電コンデンサ５が並列接続され、その一端
はライン１１ｔ−介して電源電圧Ｖｃに、他端はトラン
ジスタ６のエミッタＥに接続される。トランジスタ６は
、ＦＥＴ７とともに可変高インピーダンス素子９を形成
する。トランジスタ６のペースＢは、ＧＮＤＳとダイオ
ード４のｇ、続点とＦＥＴ７のドレインＤとに接続され
、コレクタＣは接地ラインｅＯに接続さルる。また、Ｆ
ＥＴ７のゲートＧＦｉライン１２’ｆｔ介してゲート電
圧Ｖｇが印加され、ソースＳはＦＥＴ７のドレイン電流
１ｄが定電流となるように、ＦＥＴ７の動作点が決定す
るための抵抗８を介して接地ラインｌＯに接続されてい
る。

第２図は本実施例の動作を説明する波形図である。今、
時刻１０で電源電圧Ｖｃが投入されると、コンデンサ５
は電源投入直後は短絡状態であり、トランジスタ６のエ
ミッタＥの電位は電Ｍ　ｔ　圧Ｖｃと等しく、ＦＥＴ７
のゲート電圧Ｖｇに対応して、トレイン電ｍＩｄがトラ
ンジスタ６のペースＢｅ介して流れる。このとき、トラ
ンジスタ６’／）エミッタＥに流れる定電流ｌｅによっ
て、コンデンサ５は充電され、その端子電圧ｙｊは、Ｉ
ｅが定電流のため、矢符Ｐ１に示されるように直線的に
上昇していく。この間、ＧＮＤＳは遮断状態にあり、ト
ランジスタ６はエミッタホロワとして動作シ、ペースＢ
の電位は、エミッタＥの電位よりエミッタベース間電圧
に相当する約０．７Ｖ４ｊｉ！度低くなっている。した
がって、ペースバイアス分に相当するエミッタ電流Ｉｅ
によるコンデンサ５の充電が進行し、その端子電圧Ｖｊ
が上昇するにともないＧＮＤＳの端子電圧も上昇し、時
刻ｔ１でＧＮＤＳの端子電圧はスイッチング電圧Ｖｓに
達する。

ＧＮＤＳの両端の電圧が、そのスイッチング電圧ＶｓＫ
４すると、ＧＮＤＳはターンオンし、そのアノードカソ
ード間が導通する。したがって、コンデンサ５の充電電
荷は、ＧＮＤＳとダイオード４の順方向直列回路を介し
て放電し、放電電流ＩｊによってＧＮＤＳが発光する。

第３図は放電電流Ｉｊを示す図で、放電電流Ｉｊはコイ
／Ｌ／２の光めに正弦波状の波形になる。

そして、時刻ｔ２では逆向きの電流に変わろうとするが
、この時ＧＮＤ３に逆電圧が加わることになり、ＧＮＤ
Ｓを強制的に遮断状態にすることができ、すぐに次の充
電に入るので、ＧＮＤＳが完全に遮断されるのに要する
時間Ｔ２（従来技術、第６図の時間Ｔ６に対応）を短縮
できる。コンデンサ５の端子電圧ｖｊは、放電期間中、
矢符Ｐ２のように急速に低下し、時刻ｔ２ではコイル２
の影ＩＦＫよって逆の電位を持つことになる。

また、放電期間中、トランジスタ６０ペース電位は、ダ
イオード４の電圧降下分だけ壬ミッタ電位より上昇する
ので、この期間中、トランジスタ６は遮断され、スイッ
チング菓子として動作する。

ＧＮＤＳが遮断されると、トランジスタ６はコンデンサ
５を高インピーダンスで接地ラインｌＯに接続するため
、再び電源電圧Ｖｃによりコンデンサ５の充電が行われ
、端子電圧Ｖｊは矢符Ｐ３で示されるように直線的に上
昇し、以後、端子電圧ｖｊの上昇下降を周期的に繰り返
す弛張発振を行ない、放電電流１ｊによってＧＮＤＳが
上記発振周波数ｆに同期して発光する光出力が発振回路
の発振出力とともに得られる。

時間Ｔ３で示される充電時におけるコンデンサ５の端子
電圧Ｖｊ　（ｔ）は、時刻ｔ２で定電流化されたエミッ
タ電流Ｉｅにより充電が開始されるから、 Ｖｊ（ｔ）＝（Ｉｅ／Ｃ）　（ｔ−ｔ　２）　・−−−
（９）のように表すことができる。ただし、Ｃはコンデ
ンサ５の静電容量である。

時刻ｔ２と時刻ｔ３でのエミッタ電位の差をＶｓｅ（＝
Ｖｊ　（ｔ３）−Ｖｊ（ｔ２））とすると、時刻ｔ２よ
り時刻ｔ３に至る時間Ｔ３は第９式より、Ｔ３−Ｃ・（
Ｖｓｅ／工ｅ）・・・・・・・Ｃ１と表すことができる
。

トランジスタ６のベーヌ雷流Ｉｂとエミッタ電流１ｅｓ
およびＦＥＴ７のゲート電圧Ｖｇとドレイン電流１ｄに
ついて、 Ｉｂ１Ｉｅ、ｖｇｌ工ｄ　・・・・・・・ａυの関係が
成り立つように設定すると、時間Ｔ３で示す九るコンデ
ンサ５の充電期間中は、ＧＮＤａは遮断状ｔａにあるか
らＩｄ＝Ｉｂとなり、比例定数をＨとおけば、 Ｉｅ＝Ｈ−ｖｇ　・・・・・・・・・・（６）したがっ
て、上記の時間Ｔ３は第１０式、第１２式から、 Ｔ３＝（ｖｓｅ／Ｈ）・（０７７ｇ）・・・・α１Ｖｓ
ｅ／Ｈは定数であり、これを改めてＨとおけば、Ｔ３＝
Ｃ−Ｉ（／Ｖｇ　　−−−−・・−−Ｃ４となる。

また、時間Ｔ２で表されるコンデンサ５の放電期間中は
、トランジスタ６は遮断さｔているから、放電時間Ｔ２
はコンデンサ５の静電容量Ｃ％ＧＮＤ３とダイオード４
の内部抵抗値の和Ｒ１コイル２のインダクタンスＬによ
ってのみ決定される定数である。第４図は放電時のよう
すを示す等価回路図である。

コンデンサ５に蓄えられている電荷をＱ（【）とすると
、　　　。

が成り立つ。第、１５式の解は、一般に、Ｃ１，Ｃ２・
・・・・αＱ と表すことができる。放電開始時を・ｔ−０とし、その
時、コンデンサ５に蓄えられている電荷をＱ。、Ｃ２は
、 Ｃ２＝ＱＯ・・・・・・・・・・Ｑ印 と決定される。したがって、放電電流Ｉｊは、上 となる。第１９式では、放電開始時２ｔ＝ｏとおいてい
るので、第２図、第３図での時刻ｔ１がｔ＝０に相当す
る。−また、時刻ｔ２で放電電流１ｊは０となる。時刻
ｔ２はｔ＝Ｔ２に相当するので、Ｉｊ　（Ｔ２）　＝　
０　　・・・・・・・・・・（７）である。したがって
、Ｔ２は第１９式より、となる。

ここで、光強度を増すために、ダイオード４を発光ダイ
オードに置き換えることができる。さらに光強度を増す
ために、発光タイオードを直列に複数個接続することも
可能である。一般的に発光ダイオードを複数個接続する
と、内疏抵抗Ｒが増すために、ＧＮＤａを流れるピーク
電流値は下がる。こＰ′Ｌを補うために、コンデンサ５
の静電容量Ｃｅ大きくすると、時間Ｔ２は長くなる。し
かしこの時間Ｔ２は、コイ、／ｌ／２がない回路でＧＮ
Ｄ３が完全に遮断されるのに要する時間に比べると短く
、充電時間Ｔ１より十分小さい。

発振回路の発振周波ａｆは、 ｆ：７’（Ｔ２＋Ｔ３）　　・・・・・・・（ホ）とな
シ、Ｔ　２　＜＜　Ｔ　３とすることができるので、発
振周波数ｆは、 ｆ＝１／Ｔ３　　・・・・・・・・・・・（２）となる
。第１４式を代入すると、 ｆ＝ｖｇ／（Ｃ−Ｈ）　　・・・・・・・・＠となって
、発振周波数ｆはＦＥＴ７のゲート電圧Ｖｇに比例し、
発振回路は直線性の良い電圧制御発振回路になっている
。

〈発明の効果〉 以上のように本発明によルが、発光ダイオードを直列に
並べ、充放電コンデンサの静電容量を大きくして光出力
を増大さぜる場合でも、ＧＮＤが完全に遮断さｎる１で
の時間を短くすることにより、発振周波数を高く保つと
ともに、制御電圧と発振周波数の直線性を良くした有用
な電圧制御発−振回路が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電気回路図、第２図は
充放電コンデンサの端子電圧■波形図、第３図は負性抵
抗発光素子を流れる放電電流の波形図、ｆＪ４図は負性
抵抗発光素子がオン状態にある時の動作を説明する等価
回路図、第５図は従来の電圧側−発振回Ｉ＆を示す回路
図、第６図は、従来の回路での充放電コンデンサの端子
電圧の波形図、第７図は従来の回路での負性抵抗発光素
子を流れる放電電流の波形図である。 ２・・・コイル、　３・・・ＧＮＤ（負性抵抗発光素子
）、４・・・ダイオード、　　５・・・コンデンサ、　
６・・・トランジスタ、　７・・・ＦＥＴ（電界効果ト
ランジスタ）、　８・・・抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、負性抵抗発光素子と、負性抵抗発光素子に並列に接
   続される充放電コンデンサと、入力印加電圧により充電
   定電流の設定可能で、前記入力印加電圧によって発振周
   波数を設定自在する回路とを含み、前記負性抵抗発光素
   子に直列にインダクタンスを接続してなることを特徴と
   する電圧制御発振回路。