クォーツ水晶発振器

以前のRCフェーズシフトオシレーターとウィーンブリッジオシレーターのチュートリアルでは、オシレーターとは何かについて公正なアイデアを得ることができます。発振器は、いくつかの変数に応じて発振を生成する機械的または電子的な構造です。適切良い発振器が安定した周波数を生成します。

RC（抵抗-コンデンサ）またはRLC（抵抗-インダクタ-コンデンサ）発振器の場合、安定した正確な発振が必要な場所には適していません。温度変化は負荷と電源ラインに影響を与え、それが発振器回路の安定性に影響を与えます。RCおよびRLC回路の場合、安定性はある程度改善できますが、それでも特定の場合には改善が不十分です。

このような状況では、水晶振動子が使用されます。石英は、シリコンと酸素原子で構成される鉱物です。水晶に電圧源を印加すると反応します。それは、圧電効果として識別される特性を生成します。電圧源がその両端に印加されると、形状が変化して機械的な力が発生し、機械的な力が元に戻って電荷が発生します。

それは機械的および電気的に機械的に電気エネルギーに変換することは、以下のように呼ばれているトランスデューサ。これらの変化は非常に安定した振動を生み出し、圧電効果として安定した振動を生み出します。

クォーツクリスタルとその等価回路

これは水晶発振器のシンボルです。水晶振動子は、2つの平行な金属化された表面の間にしっかりと取り付けられ制御された水晶ウエハーの薄い部分から作られています。金属化された表面は電気接続用に作られ、形状とサイズの変化が発振周波数に直接影響するため、クォーツの物理的なサイズと密度、および厚さも厳密に制御されます。一旦それが形作られそして制御されると、生成される周波数は固定され、基本周波数は他の周波数に変更することはできません。特定の水晶のこの特定の周波数は、特性周波数と呼ばれます。

上の画像の左側の回路は、右側に示されているクォーツクリスタルの等価回路を表しています。ご覧のとおり、4つの受動部品が使用されています。2つのコンデンサC1とC2、および1つのインダクタL1、抵抗R1です。C1、L1、R1は直列に接続され、C2は並列に接続されます。

1つのコンデンサ、1つの抵抗、1つのインダクタで構成される直列回路は、水晶と並列コンデンサの制御された動作と安定した動作を象徴し、C2は回路または同等の水晶の並列容量を表します。

動作周波数では、C1はインダクタンスL1と共振します。この動作周波数は、水晶直列周波数（fs）と呼ばれます。この直列周波数により、並列共振で認識される2次周波数ポイント。L1とC1も並列コンデンサC2と共振します。並列コンデンサC2は、しばしばC0の名前として説明され、水晶振動子のシャント静電容量と呼ばれます。

周波数に対する水晶出力インピーダンス

2つのコンデンサにリアクタンス式を適用すると、直列コンデンサC1の場合、容量性リアクタンスは次のようになります。

X _C1 = 1 /2πfC ₁

どこ、

F =周波数、C1 =直列容量の値。

同じ式が並列コンデンサにも適用され、並列コンデンサの容量性リアクタンスは次のようになります。

X _C2 = 1 /2πfC ₂

出力インピーダンスと周波数の関係グラフを見ると、インピーダンスの変化がわかります。

上の画像では、水晶発振器のインピーダンス曲線と、周波数が変化したときにこの傾きがどのように変化するかを確認できます。1つは直列共振周波数ポイントで、もう1つは並列共振周波数ポイントの2つのポイントがあります。

で、直列共振周波数点インピーダンスになったされて最小。直列コンデンサC1と直列インダクタL1は、直列抵抗に等しい直列共振を生成します。

したがって、この直列共振周波数ポイントでは、次のことが起こります。-

インピーダンスは、他の周波数時間と比較して最小です。
インピーダンスは直列抵抗と同じです。
この点より下では、結晶は容量性形態として機能します。

次に、周波数が変更され、スロープが並列共振周波数の最大点までゆっくりと増加します。この時点で、並列共振周波数点に到達する前に、水晶は直列インダクタとして機能します。

並列周波数ポイントに達した後、インピーダンススロープは最大値に達します。並列コンデンサC2と直列インダクタがLCタンク回路を構成するため、出力インピーダンスが高くなります。

これは、水晶がインダクタとして、または直列および並列共振のコンデンサのように動作する方法です。水晶はこの両方の共振周波数で動作できますが、同時に動作することはできません。操作するには、特定の1つに調整する必要があります。

周波数に対する結晶リアクタンス

回路の直列リアクタンスは、次の式を使用して測定できます。

X _S = R2 +（XL ₁ – XC ₁）²

ここで、Rは抵抗の値です

Xl1は回路の直列インダクタンスです

Xc1は回路の直列容量です。

回路の並列容量性リアクタンスは次のようになります。-

X _CP = -1 /2πfCp

回路の並列リアクタンスは次のようになります：-

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

グラフを見ると、次のようになります。-

上のグラフからわかるように、直列共振点での直列リアクタンスはC1に反比例します。この時点で、2つの並列容量が無視できるようになるため、fsからfpまでの点で水晶は誘導性として機能します。

一方、周波数がfsおよびfpポイントの外側にある場合、水晶は容量性の形になります。

この2つの式を使用して、直列共振周波数と並列共振周波数を計算できます–

クォーツクリスタルのQファクター：

QはQualityの短縮形です。これは水晶振動子の重要な側面です。このQファクターは、Crystalの周波数安定性を決定します。一般に、結晶のQファクターは20000から100,000以上の範囲です。結晶のQ値が200,000を超えることもあります。

結晶のQファクターは、次の式を使用して計算できます–

Q = X _L / R =2πfsL ₁ / R

ここで、X _L はインダクタのリアクタンス、Rは抵抗です。

計算による水晶発振器の例

以下の点が利用可能な場合、水晶振動子の直列共振周波数、並列共振周波数、および水晶の品質係数を計算します-

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

そしてC2 = 30pF

水晶の直列共振周波数は–

水晶の並列共振周波数、fpは–

これで、直列共振周波数が9.20 MHz、並列共振周波数が9.23MHzであることがわかります。

この水晶のQ値は次のようになります-

コルピッツ水晶発振器

バイポーラトランジスタや各種FETを用いて構成された水晶発振回路。上の画像には、コルピッツ発振器が示されています。容量性分圧器をするために使用されるフィードバック。トランジスタＱ１はエミッタ接地構成にある。上部回路では、R1とR2がトランジスタのバイアスに使用され、C1がRFノイズからベースを保護するバイパスコンデンサとして使用されます。

この構成では、コレクタからグランドへの接続により、水晶はシャントとして機能します。並列共振構成です。コンデンサC2およびC3はフィードバックに使用されます。水晶Q2は並列共振回路として接続されています。

この構成では、水晶の過剰な電力損失を回避するために、出力増幅が低くなっています。

ピアス水晶発振器

水晶発振器で使用される別の構成。トランジスタは増幅のためにJFETに変更され、水晶がコンデンサを使用してドレインからゲートに接続されている場合、JFET は非常に高い入力インピーダンスになります。

上の画像には、ピアス水晶発振器回路が示されています。C4は、この発振回路に必要なフィードバックを提供します。このフィードバックは、共振周波数で180度の位相シフトである正のフィードバックです。R3はフィードバックを制御し、水晶は必要な発振を提供します。

ピアス水晶発振器は最小限の部品数を必要とするため、スペースが限られている場合に適しています。デジタル時計、タイマー、各種時計はピアス水晶発振回路を使用しています。出力正弦波振幅のピークツーピーク値は、JFET電圧範囲によって制限されます。

CMOSオシレーター

並列共振結晶構成を使用する基本的な発振器は、CMOSインバーターを使用して作成できます。CMOSインバーターは、必要な振幅を達成するために使用できます。これは、4049、40106またはTransistor-Transistorロジック（TTL）チップ74HC19などの反転シュミットトリガーで構成されています。

上の画像では、反転構成でシュミットトリガーとして機能する74HC19Nが使用されています。水晶は直列共振周波数で必要な発振を提供します。R1はCMOSのフィードバック抵抗であり、高いQ値と高いゲイン機能を提供します。2番目の74HC19Nは、負荷に十分な出力を提供するブースターです。

インバーターは180度の位相シフト出力で動作し、Q1、C2、C1は追加の180度の位相シフトを提供します。発振プロセス中、位相シフトは常に360度のままです。

このCMOS水晶発振器は方形波出力を提供します。最大出力周波数は、CMOSインバータのスイッチング特性によって決まります。出力周波数は、コンデンサ値と抵抗値を使用して変更できます。C1とC2の値は同じである必要があります。

水晶を使用してマイクロプロセッサにクロックを提供する

水晶発振器のさまざまな用途にはデジタル時計、タイマーなどが含まれるため、マイクロプロセッサとCPU全体に安定した発振クロックを提供するのにも適しています。

マイクロプロセッサとCPUは、動作のために安定したクロック入力を必要とします。水晶振動子はこれらの目的に広く使用されています。水晶振動子は、他のRCまたはLCまたはRLC発振器と比較して高い精度と安定性を提供します。

一般に、クロック周波数はマイクロコントローラーに使用されるか、CPUはKHzからMhzの範囲です。このクロック周波数は、プロセッサがデータを処理できる速度を決定します。

この周波数を達成するために、2つの同じ値のコンデンサネットワークで使用される直列水晶が、それぞれのMCUまたはCPUの発振器入力全体で使用されます。

この画像では、2つのコンデンサを備えた水晶がネットワークを形成し、OSC1およびOSC2入力ピンを介してマイクロコントローラユニットまたは中央処理装置に接続されていることがわかります。通常、すべてのマイクロコントローラーまたはプロセッサーはこの2つのピンで構成されます。場合によっては、2種類のOSCピンを使用できます。1つはクロックを生成するための1次発振器用で、もう1つは2次クロック周波数が必要な他の2次作業に使用される2次発振器用です。コンデンサの値の範囲は10pFから42pFで、15pF、22pF、33pF以外が広く使用されています。