発振回路設計時の注意事項

  1. 励振レベル

    励振レベルとは、水晶振動子が発振するために必要な電力をいい、次式で表すことができます。
    励振レベル (P) = I²・Re

    I:水晶振動子に流れる電流(図2参照)

    Re:水晶振動子の実効抵抗  Re=R1(1+Co/CL)²(図1参照)

    励振レベル(P)が規定のレベルを越すと水晶振動子の発振状態が変化します。これは過大な電力により水晶内部にストレスを生じたり、温度が上昇することによるものです。また、過大励振レベルが水晶振動子に印加されると特性の劣化および、破壊を招く場合がありますので、最大励振レベル以上、水晶振動子に印加しないでください。

    図1 水晶振動子の等価回路 図2 発振回路
    水晶振動子の等価回路 発振回路
  2. 発振余裕度

    水晶振動子が発振し、定常状態となった時の水晶振動子と発振回路との関係は図3のようになっています。 回路の負性抵抗値(-R)が水晶振動子の実効抵抗値(Re)より小さいと水晶振動子は発振しません。また、ほぼ同じか、多少大きくても、発振しなかったり、発振はしても発振の立ち上り時間が長くなる場合があります。確実に水晶振動子を発振させるためには、回路の負性抵抗を水晶振動子の等価抵抗より充分大きくとっておく必要があります。

    発振余裕度のチェック方法

    回路の負性抵抗が水晶振動子の等価直列共振抵抗(以下等価抵抗と略す)より充分大きくとれている(発振余裕度が充分とれている)かを確認するためには、その回路の負性抵抗を知る必要があります。 それには、図4のように水晶振動子と直列に純抵抗を挿入し、その抵抗値を発振が開始(停止)するまで変えていきます。(この時、抵抗を挿入したことによる発振出力の低下は無視し、単に発振したということで判定する。)この時の水晶振動子に直列に挿入した抵抗値に水晶振動子の等価抵抗値を加えた値が、その回路の負性抵抗の概略値となります。 安定した発振を得るためには、この直列に挿入した抵抗値が水晶振動子の等価抵抗値の5~10倍の抵抗値であれば、充分余裕度がとれていると判断できます。また、満足できていなければ、回路素子の定数変更が必要となります

    図3 水晶振動子と発振回路との関係 図4 発振余裕度のチェック方法
    How to check the allowance for oscillation How to check the allowance for oscillation
    1. 水晶振動子と直列に純抵抗(r)を挿入する。
    2. rを調整し発振開始(停止)状態にする。
    3. 2の発振開始(停止)状態のrの値をみる。
      r>CI x (5~10)

      回路の負性抵抗(-R)= r+水晶振動子の等価抵抗値(CI)
  3. 負荷容量

    発振回路の負荷容量により、同一水晶振動子を用いても発振周波数は下図のように変化し、希望する周波数と異なる場合がありますので、使用される際は、発振回路の負荷容量を指定してください。
    回路の負荷容量の近似式CL ≒ CGCD /(CG + CD)+ CS  CS:回路の浮遊容量

    周波数負荷容量特性例

    周波数負荷容量特性例
  4. 発振回路定数の目安

    発振回路定数の目安

    IC:(東芝)
    TC74HCU04(Unbuffer)相当品
    TC74VHCU04(Unbuffer)相当品(30 MHz~50 MHz)


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