オペアンプを使った矩形波発振回路

R1 、R2 、R3 で構成されるのはヒステリシス特性のあるコンパレータ回路。
一般に、R1 、R2 、R3 が同じ値なら、基準となる ＋ 側入力電圧は、出力が HIGH のときに Vcc の 2/3 、LOW のときに 1/3 になる、と解説されています。
したがって、デューティー比は 50% 。

C1 と R4 はいわゆる RC 回路。オペアンプの出力が HIGH の時コンデンサが充電され、LOW になると放電します。
変化するコンデンサの電圧がオペアンプの ー 側入力になり、＋ 側の基準電圧と比較されてオペアンプの出力が HIGH になったり LOW になったり、結果、出力が矩形波になる、という仕組みです。

図 (2) の上が、出力波形です。

周期 0.80ms 、デューティー比 54% になりました。
周期は、だいたいが計算式どおりにはなりません。こんなもんです。デューティー比も 50% に拘らないなら、まぁいいんじゃないでしょうか。

下の波形は、コンデンサ C1 の電圧です。3.0V から 1.9V の範囲で変化しています。
ちなみに、これを三角波として利用することもできます。

出力波形を拡大してみました。

図 (6) の左側は、矩形波の立ち上がり部分、右は立ち下がり部分です。
途中に踊り場のような段があり、立ち上がり時間は 7μs 、立ち下がりも 6μs となっています。通常、C-MOS の入力遷移時間は 400ns 以下ですから、遅すぎます。

矩形波の LOW レベルが 0.7V になっています。シフトレジスタは TTL でしたので、ギリギリです。これもうまくいかなかった原因でしょうか。

波形の段は、オペアンプの出力に負荷抵抗を付けて、電流を流してやるとなくなります。
1KΩ の負荷抵抗を付けたときの波形が、図 (7) です。段がなくなり、立ち上がり、立ち下がりともに 4μs になりました。
ただし、周期 0.82ms 、デューティー比 61% に変化してしまいました。

図 (8) が、シュミットトリガ回路を追加した回路図です。
オペアンプの負荷抵抗として、R5 を追加しています。

シュミットトリガは、遷移時間の長い信号を安定して入力するために、ヒステリシス特性をもった論理回路です。
毎度のジャンク品 74VHCT14A を使っています。

えーと、秋月電子通商にある 74HC14 でいけるかどうかは？です。試してません。

図 (9) が、シュミットトリガ回路の入力 (下) と出力 (上) の波形です。

HIGH レベルは電源電圧、LOW レベルは 0V となりました。

立ち上がり、立ち下がり部分を見てみましょう。図 (10) です。

左は入力の立ち上がり部分です。しきい値 1.8V で入力が HIGH と認識され、出力が LOW になっています。
右は入力の立ち下がりで、しきい値 0.9V で LOW と認識され、出力が HIGH になります。
遷移時間はどちらも 20ns 以下になりました。

出力がオーバーシュート (アンダーシュート) しています。
オーバーシュートすると電源電圧が振動します。それが発振回路に影響して、入力信号も振動してしまっています。
影響が大きいとここで寄生発振してしまうので、出力側にダンピング抵抗入れるとか、コンデンサ入れるとかするとよいと思います。

表 (1) は、抵抗 R4 とコンデンサ C1 の値を変化させたときの発振周期を調べたものです。シュミットトリガ回路の出力を計測しました。

C1 を 100pF にすると、オペアンプのスルーレートが追いつかなくなり、発振しませんでした。このあたりが限界のようです。
発振精度は？です。コンデンサを指でつまむと周期が変化します。温度変化でふらつきます。フィルムコンデンサとかだと、少し安定するかも、です。

まぁ、精度を要求するようなものでは、ないですよねぇ。