水晶発振器の動作原理

水晶発振器の概要

水晶発振器は、特定の方位角に従って水晶から切り取られたウェハを指し、水晶振動子は水晶または水晶振動子と呼ばれます。パッケージ内にICが付加された水晶素子を水晶振動子といいます。同社の製品は通常、金属ケースで梱包されていますが、ガラスケース、セラミック、プラスチックで梱包される場合もあります。

水晶発振器の動作原理

水晶発振器は水晶の圧電効果を利用した共振素子です。その基本構成はおおよそ次のとおりです。水晶振動子を一定の方位角でスライスし、対応する 2 つの表面を電極として銀層でコーティングし、各電極のリード線を溶接してピンに接続し、パッケージ シェルと結合して構成されています。水晶振動子または水晶振動子と呼ばれる水晶振動子。同社の製品は通常、金属ケースで梱包されていますが、ガラスケース、セラミック、プラスチックで梱包される場合もあります。

水晶の 2 つの電極に電界がかかると、チップが機械的に変形します。逆に、チップの両側に機械的圧力が加えられると、チップの対応する方向に電界が生成されます。この物理現象は圧電効果と呼ばれます。チップの 2 つの極に交流電圧が印加されると、チップは機械的振動を生成し、それによって交流電場が生成されます。

一般に、チップの機械振動の振幅や交流電界の振幅は非常に小さいですが、印加される交流電圧の周波数が特定の値になると、振幅が大幅に増加し、他の周波数に比べて非常に大きくなります。 、この現象は圧電共振と呼ばれ、LC 回路の共振と非常によく似ています。その共振周波数は、切削モード、形状、チップのサイズに関係します。

水晶が振動していない場合、静電容量Cと呼ばれる平坦なコンデンサとみなすことができ、その大きさはチップの幾何学的なサイズと電極の面積に関係し、一般的に数皮法から数十皮法程度となります。 。水晶が発振するとき、機械振動の慣性はインダクタンスLに相当します。一般にLの値は数十度から数百度の範囲にあります。チップの弾性は静電容量 C に相当しますが、これは非常に小さく、通常はわずか 0.0002 ～ 0.1 ピコグラムです。ウェーハの振動時の摩擦によって生じる損失は R に相当し、その値は約 100 オームになります。チップの等価インダクタンスが非常に大きく、C が非常に小さく、R も小さいため、回路の品質係数 Q は非常に大きく、最大 1000 ～ 10000 です。また、チップ自体の共振周波数も高くなります。基本的にはチップの切断モード、形状、サイズのみに関係しており、精密に行うことができるため、水晶振動子で構成される発振回路は高周波安定性を得ることができます。

コンピュータにはタイミング回路があり、これらのデバイスを指すために「クロック」という用語が一般的に使用されますが、実際には通常の意味でのクロックではありません。タイマーと呼んだほうがよいかもしれません。コンピュータのタイマーは通常、精密に加工された水晶であり、水晶自体の切断方法と受ける張力の大きさによって決まる周波数で張力制限内で振動します。各水晶振動子には、カウンターとホールド レジスターという 2 つのレジスターが関連付けられています。水晶が振動するたびにカウンターが 1 つずつ減ります。カウンタが 0 まで減少すると、割り込みが生成され、カウンタは保持レジスタから初期値を再ロードします。このアプローチにより、1 秒あたり 60 回の割り込み (またはその他の任意の周波数) を生成するようにタイマーをプログラムすることが可能になります。各割り込みはクロック ティックと呼ばれます。

電気的に言えば、水晶発振器は、並列のコンデンサと抵抗、および直列のコンデンサの 2 端子ネットワークと等価です。電気工学では、このネットワークには 2 つの共振点があり、高周波と低周波に分けられます。低い周波数は直列共振、高い周波数は並列共振です。水晶自体の特性により、2 つの周波数間の距離は非常に近くなります。この非常に狭い周波数範囲では、水晶発振器はインダクタと等価であるため、水晶発振器の両端が適切なコンデンサと並列に接続されている限り、並列共振回路を形成します。この並列共振回路を負帰還回路に追加して、正弦波発振回路を構成できます。水晶発振器のインダクタンスに相当する周波数範囲は非常に狭いため、他の部品のパラメータが大きく変化しても、この発振器の周波数はあまり変化しません。

水晶発振器には負荷容量値という重要なパラメータがあり、負荷容量値と等しい並列容量を選択すると、水晶発振器の公称共振周波数を得ることができます。一般的な振動水晶発振回路は、反転増幅器の両端に水晶に接続されており、水晶の両端を受信する2つの静電容量があり、受信側の反対側の各静電容量は、直列の2つのコンデンサの容量値が等しい必要があります。負荷容量に関しては、一般的な IC ピンには同等の入力容量があり、これは無視できないことに注意してください。一般的に水晶発振器の負荷容量は15または12.5スキンです。部品ピンの等価入力容量を考慮すると、22個のスキンコンデンサ2個で構成された水晶発振器の発振回路がより良い選択となります。