水晶振動子について：水晶発振回路

1. 基本的な発振回路例（基本波の場合）

2. 負荷容量と周波数

3. 振動子の励振レベルについて

4. 回路パターン設計の際の注意点

図7 に標準的な基本波発振回路を示します。

発振が定常状態のときは、水晶のリアクタンスXe と回路側のリアクタンス－X 及び、 水晶のインピーダンスRe と回路側のインピーダンス（負性抵抗）－R との関係が次式を満足しています。

また、定常状態の回路を簡易的に表すと、図8の様になります。

安定な発振を確保するためには、回路側の負性抵抗‐R |>Re.であることが必要です。図7 を例にとりますと、回路側の負性抵抗‐R は、

で表されます。ここで、gm は発振段トランジスタの相互コンダクタンス、ω ( = 2π ・ f ) は、発振角周波数です。

直列共振周波数をfr 、水晶振動子の等価直列容量をC1、並列容量をC0とし、負荷容量CLをつけた場合の共振周波数をfL 、fLとfrの差をΔf とすると、

なる関係が成り立ちます。
負荷容量は、図8の例では、トランジスタ及びパターンの浮遊容量も含めれば、C01、C02及びC03 +Cv の直列容量と考えてよいでしょう。 すなわち負荷容量CL は、

で与えられます。発振回路の負荷容量が、CL1からCL2まで可変できるときの周波数可変幅"Pulling Range（P.R.）"は、

となります。
水晶振動子の等価直列容量C1及び、並列容量C0と、上記CL1、CL2が判っていれば、（5）式により可変幅の検討が出来ます。
負荷容量CL の近傍での素子感度"Pulling Sensitivity（S）"は、

となります。
図9は、共振周波数の負荷容量特性を表したもので、C1 = 16fF、C0 = 3.5pF、CL = 30pF、CL1 = 27pF、CL2 = 33pF を（3）（5）（6）式に代入した結果を示してあります。

この現象を利用し、水晶振動子の製作偏差や発振回路の素子のバラツキを可変トリマーCv で調整し、発振回路の出力周波数を公称周波数に調整します。（6）式で、負荷容量を小さくすれば、素子感度は上がりますが、逆に安定度が下がります。さらに（7）式に示す様に、振動子の実効抵抗RL が大きくなり、発振しにくくなりますのでご注意下さい。

振動子を安定して発振させるためには、ある程度、電力を加えなければなりません。
図13 は、励振レベルによる周波数変化を示した図で、電力が大きくなれば、周波数の変化量も大きくなります。
また、振動子に50mW 程度の電力を加えると破壊に至りますので、通常発振回で使用される場合は、0.1mW 以下（最大で0.5mW 以下）をお推めします。

発振段から水晶振動子までの発振ループの浮遊容量を極力小さくするため、パターン長は可能な限り短かく設計して下さい。
他の部品及び配線パターンを発振ループにクロスする場合には、浮遊容量の増加を極力抑えて下さい。