発振回路設計の考慮事項

水晶制御発振器は、増幅器と、増幅器出力の一部を選択して増幅器入力に戻すフィードバック ネットワークで構成されていると考えられます。そのような回路の例を以下に示します。

発振器が動作する正確な周波数は、発振器回路内のループ位相角のシフトによって決まります。位相角の純粋な変更は、出力周波数の変化につながります。発振器の通常の目的は、本質的に変数に依存しない周波数を提供することであるため、正味の位相変更を減らす何らかの手段を採用する必要があります。おそらく、純位相シフトを最小限に抑える最良かつ最も一般的な方法は、フィードバック ループで水晶振動子を使用することです。

水晶のインピーダンスは、適用される周波数の変化に応じて劇的に変化するため、他のすべての回路コンポーネントは、基本的に連続リアクタンスを持つと見なすことができます。したがって、水晶ユニットを発振器のフィードバック ループ内で使用すると、水晶ユニットの周波数は自動的に調整され、水晶ユニットはループ位相の要件を満たすリアクタンスを呈示します。水晶振動子のリアクタンスと周波数の関係を示す図を以下に示します。

図Bから明らかなように、水晶振動子にはゼロ位相の周波数が2つあります。最初、つまり2つのうちの小さい方が直列共振周波数であり、通常はFsと略されます。ゼロ位相の2つの周波数のうち、後続の周波数またはそれより高い周波数が対応する反共振周波数であり、一般にFaと略されます。直列周波数と対応する共振周波数の両方が発振回路内で抵抗として現れます。直列共振点では、抵抗は最小になり、電流は最大になります。平行点では抵抗が最大になり、電流はわずかになります。したがって、並列共振周波数Faは発振回路の制御周波数として使用しないでください。

水晶振動子ユニットは、発振回路のフィードバック ループにリアクタンス部品 (通常はコンデンサ) を組み込むことで、直列共振点と並列共振点の間の線に沿った任意の点で発振するようにできます。したがって、静電容量の追加によって生じる周波数は直列共振周波数よりも高くなります。これは通常並列周波数と呼ばれますが、実際の並列周波数よりも低くなります。

水晶振動子に関連するゼロ位相の周波数が2つあるのと同様に、主要な発振回路も2つあります。これらの回路は通常、使用される水晶ユニットのタイプ、つまり「直列」または「並列」によって定義されます。

直列回路: 直列共振発振回路は、自然な直列共振周波数で動作するように設計された水晶を使用します。このような回路では、フィードバック ループにコンデンサは存在しません。直列共振発振回路は、主に部品数が最小限であるために使用されます。ただし、これらの回路は、水晶ユニット以外のフィードバック パスを提供する場合があります。したがって、水晶に障害が発生した場合、そのような回路は、ある主観的な周波数で振動し続ける可能性があります。基本的な直列共振発振器回路の表現を以下に示します。

図Cから明らかなように、直列共振発振回路では、変更が必要な場合でも出力周波数を調整する手段がありません。上記の回路では、抵抗器R1を利用してインバータにバイアスをかけ、線形領域で動作するようにしています。この抵抗器はインバーターに負帰還も提供します。コンデンサC1は、DC電圧をブロックするために使用されるコネクタ コンデンサです。抵抗器R2は水晶ユニットにバイアスをかけるために使用されるため、小さすぎる値を選択しないように注意する必要があります。水晶ユニットY1は直列共振水晶ユニットであり、優先周波数で機能し、必要な周波数許容値と安定性を備えているように指定されています。

並列回路: 並列共振発振回路は、指定された値の負荷容量で動作するように設計された水晶振動子を使用します。これにより、水晶周波数は直列共振周波数よりも高くなりますが、実際の並列共振周波数よりも低くなります。これらの回路は、フィードバック ループを完了するために水晶ユニットを経由する以外のルートを提供しません。水晶振動子に故障が発生すると、回路は発振を継続できなくなります。並列共振回路の簡単な説明を以下に示します。

並列回路の標準値

この回路では、フィードバック ループに2つのコンデンサを備えた単独のインバータを使用します。これらのコンデンサは「負荷容量」を包含し、水晶振動子とともに、発振器が機能する周波数を生成します。負荷容量の値が変化すると、発振器の出力周波数も変化します。したがって、この回路は、調整が必要な場合に出力周波数を調整するための適切な手段を提供します。

抵抗器R1とR2は、図Cに示す直列共振回路で説明したのと同じ機能を果たします。2つの負荷コンデンサCL1とCL2は、水晶振動子、つまり発振器が機能する周波数を確立するのに役立ちます。水晶振動子Y1は並列共振水晶振動子であり、指定された値の負荷容量、優先周波数、および所望の周波数許容範囲と安定性で動作するように規定されています。

「指定された負荷容量」について言及されています。負荷容量は、「水晶の接続点を通じて発振回路内に存在する、測定または計算された容量の値」と説明できます。直列共振回路の場合、水晶振動子の接続点間には静電容量が存在しないため、直列共振水晶振動子の負荷静電容量を指定する必要はありません。並列共振発振回路の場合には、静電容量が存在します。この静電容量を直接測定するのは不合理なので、値を計算する必要があることがよくあります。負荷容量の値の計算は次の式で行われます。

ここで、CL1とCL2は負荷コンデンサ、Csは回路の浮遊容量で、通常は3.0 ～ 5.0 pFです。

負荷容量の値が変化すると、発振器の出力周波数が変化することに注意してください。したがって、正確な周波数制御が必要であり、負荷容量の正確な仕様が必要になります。説明のために、水晶振動子が20.0 pFの容量で20.000 MHzの周波数で動作するように指定されていると仮定します。次に、水晶振動子が30.0 pFの評価を示す回路に配置されていると仮定します。すると、水晶振動子の周波数は指定された値よりも低くなります。逆に、問題の回路が10.0 pFの評価を示す場合、周波数は指定された値よりも高くなります。と負荷容量の関係を以下に示します。

ドライブ レベル: 「ドライブ レベル」は、動作中に水晶ユニットによって消費される電力です。電力は印加電流の関数であり、通常はミリワットまたはマイクロワットで表されます。水晶振動子は、周波数と動作モードの関数として変化する特定の最大値の駆動レベルを持つように指定されています。特定の水晶ユニットに許容される駆動レベルの最大値については、水晶ユニットのベンダーに相談することをお勧めします。特定の水晶ユニットの最高駆動レベルを超えると、動作が不安定になり、劣化率が増大し、場合によっては壊滅的な破壊につながる可能性があります。ドライブレベルは次の式で計算できます。

ここで、「I」は水晶ユニットを流れる実効電流であり、Rは問題の特定の水晶ユニットの最大抵抗値です。式（2）は単純に電力に関する「オームの法則」です。

動作発振回路における実際の駆動レベルの測定は、水晶振動子と直列に抵抗器を一時的に挿入することによって実現できます。抵抗器は水晶振動子と同じ抵抗値でなければなりません。次に、抵抗器の両端の電圧降下を読み取り、電流と電力消費を計算できます。その後、抵抗器を取り外す必要があります。駆動レベルを測定する別の手段として、スペースが許せば、水晶ユニットの出力リードに電流プローブを使用することもできます。この方法は、以下の図1で説明します。

どこ

R_ら = 負荷共振抵抗
R ₁ = 水晶振動子の共振抵抗
私_q = 水晶振動子に流れる電流
Ｃ_お = シャント容量
Ｃ_ら = 負荷容量

周波数とモード: 水晶振動子の周波数は、振動する水晶素子の物理的な寸法によって制限されます。場合によっては、制限寸法は長さと幅になります。最も一般的な水晶振動子である「AT」カット水晶振動子の場合、制限寸法は振動する水晶素子の厚さです。厚さが薄くなると、周波数が高くなります。通常30.000MHz付近で、水晶板の厚さが加工できないほど薄くなります。

限界周波数よりも高い周波数の発振器を開発する必要がある場合は、水晶振動子ユニットが「基本」周波数の奇数倍で発振するという事実を活用する必要があります。「基本」周波数は、「特定の機械的寸法で自然に発生する周波数」と定義できます。したがって、水晶振動子の基本周波数が10.0 MHzの場合、基本周波数の3倍、5倍、7倍などの周波数で発振させることもできます。つまり、ユニットは30.0で振動します。50.0、70.0などMHz。

基本周波数の倍数は「倍音」と呼ばれ、「第3倍音」、「第5倍音」などのように、乗算の整数によって識別されます。倍音周波数での使用が必要な場合は、水晶ユニットが目的の周波数と目的の倍音で動作するように指定する必要があります。基本モードの水晶を注文してから倍音周波数で動作させようとしないでください。これは、基本波水晶ユニットと倍音水晶ユニットでは水晶の製造プロセスが異なるためです。

多くの場合、特定の発振器設計で使用される集積回路の特性により、所望の周波数と所望の倍音での動作を保証するために、クラスタル ユニットの基本周波数を抑制する必要があります。このような場合、通常は発振回路を変更する必要があります。変更方法の1つは、インダクタとコンデンサで構成される「タンク」回路を追加することです。これらの変更は図FとGに示されています。

どちらの場合も、タンク回路は基本周波数と目的の周波数の間の特定の周波数で共振するように設定されます。その結果、不要な周波数がグランドにシャントされ、発振器の出力には必要な周波数だけが残ります。

設計上の考慮事項: 発振回路を正常に動作させるには、特定の設計上の考慮事項に従う必要があります。いずれの場合も、回路の浮遊容量を減らすために、平行トレースを避けることをお勧めします。すべてのトレースは可能な限り短く保ち、結合を防ぐためにコンポーネントを分離する必要があります。信号を分離するには、グランドプレーンを使用する必要があります。

strong>負性抵抗: 最適なパフォーマンスを得るには、発振器回路を「負性抵抗」を高めるように設計する必要があります。これは「発振許容値」と呼ばれることもあります。特定の回路における負性抵抗の量の評価は、水晶振動子と直列に可変抵抗器を一時的に設置することによって行われます。抵抗器は最初は最低の設定、できればゼロオームに近い値に設定する必要があります。次に発振器を起動し、出力をオシロスコープで監視します。次に、出力を継続的に監視しながら抵抗が増加するように可変抵抗器を調整します。ある抵抗値に達すると、振動は停止します。この時点で、可変抵抗器を測定して、振動が停止した抵抗値を決定します。この値に、ベンダーが指定した水晶振動子の最大抵抗を加算する必要があります。総オーム抵抗は「負性抵抗」または「振動許容値」とみなされます。良好で信頼性の高い回路動作のためには、負性抵抗が水晶振動子の指定された最大抵抗値の5倍以上であることが推奨されます。

負性抵抗の値が水晶振動子の最大抵抗の5倍を超えるとさらに良いです。負性抵抗は温度上昇で減少する傾向があるため、動作範囲の最高温度でテストを実行することをお勧めします。以下に示す特別な手順を参照してください。

負性抵抗測定の手順

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