オシレータ回路設計の考慮事項

オシレーターが動作する正確な周波数は、オシレーター回路内のループの位相角の変化に依存します。位相角にいかなる変化が生じても、出力周波数の変化を引き起こします。オシレーターの通常の目的は、変数にほとんど依存しない周波数を提供することであるため、位相変化を削減する手段を使用する必要があります。おそらく、位相変化を最小化する最良かつ最も一般的な方法は、フィードバックループ内で水晶振動子ユニットを使用することです。

圧電石英のインピーダンスは、加えられる周波数の変化に応じて劇的に変化します。そのため、他の回路部品は本質的に連続したリアクタンスを持つものとして考えることができます。その結果、クリスタルユニットが発振器のフィードバックループで使用される場合、クリスタルユニットの周波数は自己調整され、ループの位相条件を満たすリアクタンスを提示するようになります。以下に、石英クリスタルユニットのリアクタンス対周波数の表現が示されています。

図Bから明らかなように、石英結晶ユニットにはゼロ位相の周波数が2つあります。最初の、または2つのうち低いほうの周波数は、直列共振周波数であり、一般的に Fs と略されています。その次の、または2つのうち高いほうのゼロ位相の周波数は、対応する共振周波数、または反共振周波数であり、一般的に Fa と略されています。直列共振周波数と対応する共振周波数の両方は、発振器回路において抵抗性を持っています。直列共振点では、抵抗が最小になり、電流の流れは最大となります。一方で、並列点では抵抗が最大になり、電流の流れはわずかとなります。その結果として、並列共振周波数 Fa は発振器回路の支配周波数として使用されるべきではありません。

石英結晶ユニットは、オシレーター回路のフィードバックループ内にリアクティブ成分（通常はコンデンサ）を含めることによって、直列共振点と並列共振点の間の任意の位置で振動させることができます。そのため、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。この周波数は通常「並列周波数」と呼ばれますが、実際の並列周波数よりは低くなります。

水晶振動子ユニットに関連するゼロ位相には2つの周波数があるように、主要な発振回路も2種類あります。これらの回路は通常、使用される水晶ユニットの種類によって定義され、「直列」および「並列」と呼ばれます。

直列回路: 直列共振オシレーター回路は、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が含まれることはありません。直列共振オシレーター回路は、主に部品数が最小限で済むために使用されます。しかしながら、このような回路では、水晶ユニット以外のフィードバック経路を提供することもあります。そのため、水晶が故障した場合でも、その回路は主観的な周波数で動作し続ける可能性があります。基本的な直列共振オシレーター回路の図式は以下の通りです。

図Cから明らかなように、直列共振発振器回路には出力周波数を調整する手段がありません。その必要がある場合は変更する必要があります。上記回路では、抵抗R1がインバータをバイアスし、インバータを線形領域で動作させるために利用されています。この抵抗はまた、インバータに負のフィードバックを提供します。コンデンサC1は接続コンデンサであり、DC電圧を遮断するために使用されます。抵抗R2は水晶ユニットをバイアスするために使用されます。そのため、あまりに小さな値が選択されないように注意が必要です。水晶ユニットY1は直列共振水晶ユニットであり、希望の周波数で動作し、望まれる周波数許容誤差と安定性を持つように規定されています。

並列回路: 並列共振オシレーター回路は、特定の負荷容量値で動作するように設計された水晶ユニットを使用します。この回路では、水晶の振動周波数が直列共振周波数よりも高く、真の並列共振周波数よりも低い結果が得られます。これらの回路は、水晶ユニットを通じてフィードバックループを完了する以外の経路を提供しません。水晶ユニットが故障した場合、回路は振動を続けることができなくなります。並列共振回路の簡単な説明を以下に示します。

この回路は単一のインバータを使用し、フィードバックループ内に2つのコンデンサを配置しています。これらのコンデンサは「負荷容量」を含み、クリスタルユニットとともに発振器が動作する周波数を生成します。負荷容量の値が変更されると、発振器の出力周波数が変化します。そのため、この回路は必要に応じて出力周波数を調整する適切な手段を提供します。

抵抗R1およびR2は、図Cに示されている直列共振回路で詳述された機能と同じ役割を果たします。2つの負荷容量CL1およびCL2は、結晶ユニットとそれに伴う発振器が動作する周波数を確立するために役立ちます。結晶ユニットY1は並列共振型の結晶ユニットであり、指定された負荷容量、希望の周波数、要求される周波数許容範囲および安定性で動作するよう規定されています。

「特定負荷容量」に言及されています。負荷容量は「結晶の接続ポイントを介して、発振回路内に存在する容量の値を測定または計算したもの」として説明される場合があります。直列共振回路の場合、結晶ユニットの接続ポイント間には容量が存在しないため、直列共振結晶ユニットには負荷容量を明記する必要はありません。一方、並列共振発振回路の場合には容量が存在します。この容量を直接測定することは現実的ではないため、その値を計算する必要があることが多くあります。負荷容量の値は、以下の式を用いて計算されます。

CL1とCL2が負荷容量であり、Csが回路の浮遊容量で、通常3.0～5.0pFです。

駆動レベル: 「駆動レベル」とは、水晶ユニットが動作中に消費する電力のことです。この電力は印加される電流の関数であり、通常ミリワットまたはマイクロワットで表されます。水晶ユニットには、周波数や動作モードの関数として変化する最大駆動レベル値が指定されています。特定の水晶ユニットに許容される最大駆動レベル値については、水晶ユニットの販売業者に相談するのが良いでしょう。指定された水晶ユニットの最大駆動レベル値を超えると、動作の不安定化、加速された劣化率、場合によっては重大な破壊を引き起こす可能性があります。駆動レベルは次の式で計算することができます:

ここで、「I」は水晶ユニットを流れる実効電流(rms)であり、Rは当該水晶ユニットの最大抵抗値を表します。式 (2) は単に電力に関する「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、一時的に水晶デバイスに直列に抵抗を挿入することで実現できます。この抵抗は水晶デバイスと同じ抵抗値でなければなりません。その後、抵抗にかかる電圧降下を測定し、電流と電力損失を計算します。この抵抗はその後取り除く必要があります。駆動レベルを測定する別の方法として、スペースが許せば、水晶デバイス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。この方法は図1で以下のように説明されています。

周波数とモード: 水晶振動子ユニットの周波数は、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、制限となる寸法は長さや幅です。最も一般的な水晶ユニットである「AT」カット水晶ユニットの場合、制限となる寸法は振動する水晶素子の厚さです。厚さが薄くなると、周波数が増加します。しかし、通常約30.000MHz付近になると、水晶板の厚さが加工に適さないほど薄くなってしまいます。

もし制限周波数よりも高い周波数で発振器を開発することが望まれる場合には、水晶振動子がその「基本」周波数の奇数倍で発振するという特性を利用する必要があります。「基本」周波数は「特定の機械的寸法において自然に生じる周波数」と定義できます。したがって、ある水晶振動子の基本周波数が10.0 MHzである場合、それを基本周波数の3倍、5倍、7倍などで発振させることも可能です。つまり、このユニットは30.0 MHz、50.0 MHz、70.0 MHzなどで発振することになります。

基本周波数の整数倍は「倍音」と呼ばれ、「第3倍音」や「第5倍音」など、乗算の整数により識別されます。倍音周波数での使用が求められる場合、クリスタルユニットは指定された倍音で所望の周波数で動作するように設定されていなければなりません。基本モードクリスタルを注文し、それを倍音周波数で動作させようとしてはなりません。これは、基本モードクリスタルユニットと倍音クリスタルユニットの製造プロセスが異なるためです。

多くの場合、特定の発振器設計に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動作を保証するために水晶単体の基本周波数が抑制される必要があります。このような場合、通常は発振器回路を修正する必要があります。修正方法の一つとして、インダクタとコンデンサからなる「タンク」回路を追加する方法があります。これらの修正は、図Fおよび図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ある周波数で共振するように調整されます。その結果、不要な周波数はグランドに送られ、目的の周波数だけが発振器の出力に残されます。

設計上の考慮事項: オシレーター回路を良好に動作させるためには、特定の設計上の考慮事項を遵守する必要があります。すべての場合において、回路の寄生容量を減らすために並行する配線を避けることが推奨されます。すべての配線はできるだけ短く保つべきであり、部品はカップリングを防ぐために分離する必要があります。また、信号を分離するためにグランドプレーンを使用するべきです。

負性抵抗: オシレーター回路が最適な性能を発揮するためには、「負性抵抗」を強調するように設計する必要があります。「負性抵抗」は時に「発振余裕度」とも呼ばれることがあります。特定の回路における負性抵抗の評価は、一時的に可変抵抗を水晶振動子ユニットと直列に配置することで行います。抵抗は最初にその最小設定、可能な限りゼロオーム付近に設定するべきです。次にオシレーターを起動し、出力をオシロスコープで監視します。その後、可変抵抗を調整して抵抗値を増加させながら出力を継続的に監視します。ある抵抗値で発振が停止するはずです。この時点で、その可変抵抗が示す抵抗値を測定し、発振が停止した際のオーム値を確認します。この値に、ベンダーが指定した水晶振動子の最大抵抗値を加える必要があります。この総合オーム抵抗値が「負性抵抗」あるいは「発振余裕度」と見なされます。信頼性の高い回路動作を確保するためには、負性抵抗が水晶振動子ユニットの指定最大抵抗値の最低でも5倍以上であることが推奨されます。

負の抵抗値が水晶ユニットの最大抵抗値の5倍を超える場合は、さらに良好です。負の抵抗は高温になると減少する傾向があるため、試験は動作範囲の最高温度で実施することを推奨します。下記に示した特別な手順をご参照ください。

負性抵抗の測定手順