水晶発振器とは? 原理と仕組み、水晶振動子との違い、選び方のポイントを解説

水晶発振器とは?

水晶発振器とは?

水晶振動子と発振回路をワンパッケージ化した電子部品です。
水晶発振器は、安定した周波数を発生させ、規則正しい基準信号を作り出します。

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水晶発振器のモデル図

水晶発振器の原理と仕組み

水晶振動子を発振させるには、水晶振動子の特性に合わせた発振回路が必要です。振り子を水晶振動子に例えて、振り子の運動で考えてみます。振り子の運動を継続させるためには、振り子が振れる最大の振れ幅の位置と時点を検出することと、その位置と時点を継続するよう押し戻す力が必要です。この検出と一定のエネルギーで押し戻す力を発振回路が担っています。

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水晶発振器の原理

水晶発振器の構造

冒頭でも述べましたが、水晶発振器は、水晶振動子と発振回路(IC)を1つのパッケージに入れ込んだ電子部品です。パッケージの中の構造は以下画像のようになっています。

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水晶発振器の主な用途

水晶を使った発振器は高精度で高安定という特長を持つため、特に高い精度が求められる用途において、周波数を制御する電子部品の一つとして周波数標準や時刻の基準などに使用されています。例えば、通信機器や産業機器、車載機器などの分野における製品の周波数信号源、時計のタイミングクロック、さらにデジタル回路のクロック源としてなど、幅広い分野でいくつもの水晶発振器が使用されています。

水晶振動子とは?

水晶振動子とは?

水晶の圧電現象を利用し、一定の周波数を生み出す素子のことです。水晶振動子は、振り子時計で言う「振り子」の部分であり、それ単体では動きません。振り子を継続的に動かし続けるためには、ICなどと組み合わせて使用します。

振動モードと切断方位、周波数温度特性

水晶原石から水晶片を切断する方位によって振動モードが決まります。一般的にはATカットやBTカット、Xカットなどがあり、特にATカットは常温付近の温度変化が少ないため、最も多く使用されています。

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Z板人工水晶における切断方位

下の図はATカット、BTカットのそれぞれ常温付近における周波数温度特性の1次温度係数が零となるカットアングルを模式的に表したものです。

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等価回路と各定数

水晶振動子は、共振周波数の近傍において、下の図に示す等価回路として表すことが出来ます。

R1 :等価直列抵抗(Series Resistance)
L1 :等価直列インダクタンス(Motional Inductance)
C1 :等価直列容量(Motional Capacitance)
C0 :並列容量(Shunt Capacitance)

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水晶振動子の等価回路

水晶振動子の等価回路パラメータの特長

等価直列抵抗R1 水晶振動子の内部摩擦、電極や支持系の機械的損失
および周囲環境条件等の音響損失
等価直列インダクタンスL1 他の電気回路では得るのが難しい大きな値
等価直列容量C1 L1とは反対に非常に小さな値
並列容量C0 保持器と電極、支持系の浮遊容量と電極間容量

水晶振動子と水晶発振器の違い

水晶振動子は、圧電現象をもった水晶振動片を専門容器に組み込んだものです。水晶振動子に、それを振動させるための発振回路を組み合わせ、1つのパッケージに収めたものが水晶発振器です。 発振回路は、使用する水晶振動子に適している必要があります。水晶振動子と発振回路がマッチしていないと特定の周波数が得られなかったり、発振が止まったりします。その点、水晶発振器は適したマッチングで発振回路が組み込まれているため、設計者がご自身でマッチング評価を行う必要はなく、手軽に安定した発振周波数を得ることが出来ます。 その中でも、エプソンの水晶発振器は自社で開発したICと水晶を組み合わせているため、お互いの特長を捉えた最適なマッチングにより、周波数安定性を高めています。

水晶発振器・水晶振動子を選ぶ時の選び方ポイント

水晶発振器、水晶振動子を選ぶ際には以下のチェックポイントを確認しましょう。

発振周波数と周波数安定度

所望の周波数が発振できますか?
温度特性等も含め、システムが要求する周波数安定度を満たしていますか?

水晶振動子の負荷容量

水晶振動子の負荷容量と発振回路の負荷容量は合っていますか?

水晶発振器の電源電圧

ご使用の電源電圧と合致していますか?

水晶発振器の種類とその特長や用途

水晶発振器は、その構成や精度によっていくつかの種類に分けられます。

SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator)シンプルパッケージ水晶発振器とは?その特長、用途

温度補償、温度制御をせずに水晶の周波数安定度をそのまま引き出した発振器です。ATカットまたは音叉型の水晶発振子と発振回路を同一パッケージ内に収納し、所定の電源電圧をかけることにより、安定した信号出力を行うよう設計、製造されています。一般的な精度は±20~±100ppm(温度範囲により変化)となります。様々な用途・市場で使用されています。
SPXO kHz帯 製品一覧
SPXO MHz帯 製品一覧

TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)温度補償型水晶発振器とは?その特長、用途

TCXOは周波数の安定度を高めるために、温度補償回路を設けた温度補償水晶発振器です温度補償回路があることにより、外部環境の温度変化による影響を受けづらいため、SPXOより高精度であると言えます。一般的に精度は数ppmレベルです。無線通信の基準信号やネットワークの用途で多く使用されています。
TCXO製品一覧

VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator)電圧制御水晶発振器とは?その特長、用途

VCXOはその発振ループにバラクターダイオードの如き電圧制御可変リアクタンス素子を設け、設定電圧に応じてその出力周波数を変化させることが出来る電圧制御水晶発振器です。VCXOは位相同期系(フェーズロックループ)に於けるスレーブ発振器として、また、周波数変調器として、その用途が増々広がっています。 VCXOとTCXOを複合化した水晶発振器をVC-TCXOと称しています。これらは周波数の微調整を電気的に行なえるという利点があります。一般的にVCXOの絶対可変範囲は50ppm、VC-TCXOの絶対可変範囲は数ppmレベルです。
VCXO製品一覧

プログラマブル発振器とは?その特長、用途

PLL回路を持った水晶発振器のことで、名前の通りプログラムすることにより任意の出力周波数を設定できる水晶発振器です。プログラムにより任意の周波数が得られるので、一般の出力周波数が書き込まれた発振器より短納期で入手することが出来ます。

エプソンのプログラマブル発振器の特長

エプソンには大きく分けて2種類のプログラマブル発振器があります。

1) プログラマブル発振器

プログラマブルのため、短納期、少量ロット、非標準周波数への対応が可能な水晶発振器です。専用ツールを使って、0.67MHzから170Hzの範囲において任意の出力周波数の書き込むことができます。エプソン独自で開発したICを内蔵しており、特にSG-8101シリーズは+/-15ppmの高精度を実現します。詳細は各製品ページをご確認ください。

汎用

SG-8018CA (Size: 7.0 x 5.0 mm)
SG-8018CB (Size: 5.0 x 3.2 mm)
SG-8018CE (Size: 3.2 x 2.5 mm)
SG-8018CG (Size: 2.5 x 2.0 mm)

高精度

SG-8101CA (Size: 7.0 x 5.0 mm)
SG-8101CB (Size: 5.0 x 3.2 mm)
SG-8101CE (Size: 3.2 x 2.5 mm)
SG-8101CG (Size: 2.5 x 2.0 mm)
SG-8101CGA (車載用、Size: 2.5 x 2.0 mm)

+125℃対応、低ジッタ

SG-8201CJ (Size: 2.0 x 1.6 mm)

車載用、高精度低ジッタ

SG-8201CJA (Size: 2.0 x 1.6 mm)

2) スペクトラム拡散機能付きプログラマブル発振器

プログラマブル発振器の基本機能に加え、「スペクトラム拡散機能」を持ち合わせたシリーズがあります。この機能は電磁ノイズ対策のひとつとして有効です。出力周波数に対し、特定の周波数領域にわたり周波数を変調することにより、基本波、および高調波のスペクトラムのピークを抑制しEMIを低減できる機能です。こちらも短納期、少ない数量でも購入でき、特定の非標準周波数が必要な場合や試作時にも適しています。詳細は各製品ページでご確認ください。

スペクトラム拡散

SG-9101CA (Size: 7.0 x 5.0 mm)
SG-9101CB (Size: 5.0 x 3.2 mm)
SG-9101CE (Size: 3.2 x 2.5 mm)
SG-9101CG (Size: 2.5 x 2.0 mm)
SG-9101CGA (車載用、Size: 2.5 x 2.0 mm)

電磁ノイズ対策についてはこのページでまとめています。

電磁ノイズ対策とは? ノイズ発生源と対策方法、水晶発振器によるEMI対策について


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