クロック発振器は、電子回路を制御する正確なタイミングの基準信号を提供することで、デジタル機器に不可欠なものとなっています。 しかし、発振器のアプリケーション環境は絶えず変化しています。設計者は、ポータブル製品やウェアラブル製品向けに小型ユニットを要求しており、設計サイクルの短縮により、新しい周波数オプションのターンアラウンドが迅速化され、5Gなどの新しいアプリケーションでは、ますます高精度なパフォーマンスが求められています。
一部のアプリケーションでは、 マイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) 技術に基づく製品が代替手段を提供していますが、水晶発振器のメーカーは、さまざまな新しい設計でこれらの新しい要件に対応しています。
図1: 京セラのCX1008水晶は、ウェアラブル デバイスやIoTデバイス向けの小型パッケージに収められています (画像ソース: 京セラ)
水晶振動子と水晶発振器: 基礎
図2: (a) 水晶振動子の電気的等価回路 (画像提供: IQD)、(b) 水晶発振器回路 (画像提供: Atmel/Microchip)
図2 (a) は、直列R-L-Cの組み合わせと並列に接続されたコンデンサで構成される結晶の電気等価回路を示しています。 Rs、Cs、およびLsは圧電寄与を表し、Cpは電極間のシャント容量を表します。Lsの大きさは結晶の質量に依存し、Rsは機械的損失を表します。直列共振周波数 fs は次のように表されます。
品質係数Qは次のように表されます。
図2(b)は、水晶と、反転増幅器と容量性フィードバックネットワークで構成される駆動回路を示しています。完成した回路はピアス水晶発振器を形成します。駆動回路は、水晶と単一のデバイスとしてパッケージ化することも、ここに示すようにマイクロコントローラに組み込んで外部水晶とともに使用することもできます。
小型パッケージは結晶特性に影響を与える
最終機器のパッケージ サイズが小型化する傾向はあらゆる電子部品に影響を及ぼしており、受動部品も例外ではありません。リード付きパッケージから表面実装パッケージへと移行し、サイズも徐々に小型化しています。最大電力消費とおそらく破壊電圧という顕著な例外を除けば、 抵抗器、 コンデンサ 、またはインダクタの電気的特性は、サイズが小さくなってもほとんど変化しません。ただし、水晶振動子の場合はそうではありません。
特定の水晶Qと fs の値に対して、等価直列抵抗 (ESR) Rsは水晶のアクティブ領域に反比例します。つまり、水晶が小さいほどアクティブ領域が小さくなり、ESRが高くなります。実際には、小さな結晶のQは大きな結晶ほど高くありません。Qの低下もESRの上昇に寄与します。
1210パッケージ (1.2 x 1.0mm) の水晶から1008パッケージ (1.0 x 0.8mm) に小型化すると、通常、Rsが約30% 増加するため、起動性能の不安定さなどの問題を回避するために駆動回路の設計を変更する必要があります。
メーカー各社は、使いやすいように最小の発振器を設計しています。たとえば、京セラ は、自社の圧電解析技術を使用して発振器を最適化し、従来のCX1210デバイスの電気特性を維持するCX1008水晶発振器を製造しました。これにより、CX1008を修正することなく既存の回路設計に組み込むことができます。
ADASとIoTアプリケーションには高精度デバイスが必要
システム インテグレーターは、より高精度の発振器回路を常に要求しています。たとえば、全地球航法衛星システム (GNSS) 衛星には、内部発振器を使用して20 nsの精度のタイミング測定を提供する原子時計が搭載されています。
GNSS信号は、自動車の先進運転支援システム (ADAS) 技術、IoTデバイス、無線ネットワーク基地局、5Gモバイル通信などのアプリケーションで使用されます。 ポータブル デバイスやウェアラブル デバイスにこれらの機能が追加されるにつれ、広い温度範囲にわたって正確かつ安定した動作を提供するクロック発振器の需要が高まっています。
水晶発振器の周波数安定性は、いくつかの要因に依存します。
A) 初期許容誤差、通常は指定された負荷容量で25℃で定義されます
B) 温度による周波数の変化
C) 負荷容量の変化に対する安定性
D) 経時的な周波数安定性:経年変化
安定性の変動にはさまざまな原因があります。共振周波数と温度の変化は、水晶のカット角度と水晶の格子構造の関数です。経年変化は、汚染、過度の温度、過度の駆動信号、その他の要因によって起こる可能性があります。
パッケージが小さくなると安定性にも影響します。従来のプロセスと技術では、水晶振動子はより小さな寸法で製造されると、主要な電気特性においてより大きなレベルの変動を示します。京セラでは、製造時にプラズマCVM（化学気化加工）と呼ばれる高精度加工技術を使用することで、これらのばらつきを最小限に抑えています。この方法は、プラズマで生成された中性ラジカルと物体の表面での化学反応を利用し、水晶の表面状態と厚さを厳密に制御します。同社独自の半導体加工技術により、極めて正確な外形寸法と最小限のRを実現S 縮小されたサイズで最適なパフォーマンスを実現するためのバリエーション。
精密用途の水晶振動子には、温度補償機能（IQD）が搭載されていることが多い。 IQXT-260-16たとえば、は、2.5 x 2.0 mmパッケージに水晶とアナログ特定用途向け集積回路 (ASIC) を搭載した、温度補償された19.20 MHzデバイスです。この部品は、-30℃～+85℃の動作温度範囲にわたって、周波数許容誤差 ±1.0 ppm、最大周波数安定性 ±0.50 ppmを特長としています。°°
ウェアラブルアプリケーション成功の鍵は低消費電力
低消費電力は、バッテリー電源に依存するポータブル、ウェアラブル、モノのインターネット (IoT) アプリケーションにとって、小型化と密接に関連しています。図2 (b) の水晶発振器駆動回路は、動作温度と電圧範囲全体で動作するために十分なゲインを備えている必要があります。ただし、C L(C L1とC L2の組み合わせ) の値が低ければ、特定の発振電圧に対する発振器電流要件は最小限に抑えられます。ESRの低い水晶を選択すると、消費電流も低下します。
水晶振動子メーカーは、低電圧と低消費電流を組み合わせたデバイスでこれらの課題に取り組んでいます。たとえば、Micro Crystal AGの CM9V-T1Aは、 ±20 ppmの許容誤差を持つ32.768 kHzの水晶で、小型サイズ（1.6 x 1.0 x 0.5 mm）と最大駆動レベル0.5 µWを兼ね備えています。また、同社の OM-7604 （図3）は、標準消費電力300 nAと、 ±20 ppmの厳しい周波数許容誤差を実現しています。
図3: OM-7604低電力クロック発振器 (画像提供: Microcrystal)
クイックターンデバイス
電子機器の開発サイクルがますます短くなるにつれ、短納期の部品サンプルの需要が高まり続けています。京セラの Zシリーズ クロック発振器は、こうした需要に応えるため、さまざまな標準寸法のガラスエポキシ基板に水晶、セラミックパッケージ、ドライバICなどで構成される固定サイズのヘッドユニットを組み合わせた独自のプラットフォーム構造を採用しています。共通ヘッドユニットを使用すると、各標準寸法ごとにIC、パッケージ、水晶素子を個別に設計する必要がなくなり、リードタイムが短縮されます。標準バージョンと低ジッターバージョンの両方が利用可能です。どちらのタイプも、Automotive Electronics Councilの信頼性規格AEC-Q100 (IC用) およびAEC-Q200 (受動部品用) に準拠しています。
図4: 京セラのZシリーズは、クイックターン アプリケーション向けの柔軟な2部構成の設計を特徴としています (画像ソース: 京セラ)
結論
水晶振動子と発振器には長い歴史がありますが、メーカーはパッケージの小型化や高性能化などの新たな市場の要求に応じて、製品を継続的に改良しています。Arrowは、あらゆる設計要件を満たすことができる大手サプライヤーの幅広い製品ラインナップを提供しています。
