Sinusoidal-oscillators-sinusoidal-crystal-oscillators
水晶発振器
発振器が連続動作しているときはいつでも、その*周波数安定性*が影響を受けます。 その頻度に変化が生じます。 発振器の周波数に影響を与える主な要因は次のとおりです。
- 電源バリエーション
- 温度変化
- 負荷または出力抵抗の変化
RCおよびLC発振器では、抵抗、容量、およびインダクタンスの値が温度によって変化するため、周波数が影響を受けます。 この問題を回避するために、圧電結晶が発振器で使用されています。
並列共振回路に圧電結晶を使用すると、発振器の周波数安定度が高くなります。 このような発振器は、*水晶発振器*と呼ばれます。
水晶発振器
水晶発振器の原理は、*ピエゾ電気効果*に依存します。 結晶の自然な形状は六角形です。 水晶ウエハがX軸に垂直に湾曲している場合、Xカットと呼ばれ、Y軸に沿って切断されている場合、Yカットと呼ばれます。
水晶発振器で使用される水晶は、ピエゾ電気特性と呼ばれる特性を示します。 それでは、圧電効果について考えてみましょう。
圧電効果
結晶は、結晶の一方の面に機械的応力が加えられると、結晶の反対面に電位差が生じるという特性を示します。 逆に、面の1つに電位差が適用されると、他の面に沿って機械的応力が生成されます。 これは、*ピエゾ電気効果*として知られています。
ロシェル塩、石英、トルマリンなどの特定の結晶材料は、圧電効果を示し、そのような材料は「ピエゾ電気結晶」と呼ばれます。 水晶は、安価で自然界で容易に入手できるため、最も一般的に使用される圧電結晶です。
圧電結晶が適切な交流電位にさらされると、機械的に振動します。 機械的振動の振幅は、交流電圧の周波数が水晶の固有振動数に等しいときに最大になります。
水晶の働き
電子回路で水晶を動作させるために、水晶はコンデンサの形で2つの金属板の間に配置されます。 *クォーツ*は、入手が容易でありながら安価であるため、最もよく使用されるタイプのクリスタルです。 AC電圧は水晶と並列に印加されます。
水晶振動子の回路配置は以下のようになります-
AC電圧が印加されると、水晶は印加された電圧の周波数で振動し始めます。 ただし、印加電圧の周波数を水晶の固有振動数に等しくすると、*共振*が発生し、水晶の振動が最大値に達します。 この固有振動数はほぼ一定です。
クリスタルの等価回路
水晶を同等の電気回路で表現しようとする場合、振動する場合と振動しない場合の2つのケースを考慮する必要があります。 以下の図は、それぞれ水晶のシンボルと電気的等価回路を表しています。
上記の等価回路は、キャパシタンスC〜m〜と並列の直列R-L-C回路で構成されています。 AC電源の両端に取り付けられた水晶が振動していない場合、静電容量C〜m〜と同等です。 水晶が振動すると、調整されたR-L-C回路のように機能します。
周波数応答
水晶の周波数応答は次のとおりです。 グラフは、リアクタンス（X〜L〜またはX〜C〜）対周波数（f）を示します。 水晶には2つの近接した共振周波数があることが明らかです。
1つ目は直列共振周波数（f〜s〜）です。これは、インダクタンス（L）のリアクタンスがキャパシタンスCのリアクタンスに等しいときに発生します。 その場合、等価回路のインピーダンスは抵抗Rに等しく、発振周波数は次の関係で与えられます。
f = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C}}
2つ目は並列共振周波数（f〜p〜）です。これは、R-L-CブランチのリアクタンスがコンデンサC〜m〜のリアクタンスに等しいときに発生します。 この周波数では、水晶は外部回路に対して非常に高いインピーダンスを提供し、発振の周波数は関係によって与えられます。
f_p = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C_T}}
どこで
C_T = \ frac \ {C C_m} \ {（C + C_m）}
通常、C〜m〜の値はCと比較して非常に大きいです。 したがって、C〜T〜の値はCにほぼ等しく、したがって、直列共振周波数は並列共振周波数にほぼ等しくなります（つまり、f〜s〜= f〜p〜）。
水晶発振回路
水晶発振器回路は、水晶制御チューニングコレクター発振器、コルピッツ水晶発振器、クラップ水晶発振器など、さまざまな方法で構築できます。 しかし、*トランジスタピアスクリスタルオシレータ*が最も一般的に使用されています。 これは、通常水晶発振回路と呼ばれる回路です。
次の回路図は、トランジスタピアス水晶発振器の配置を示しています。
この回路では、水晶はコレクタからベースへのフィードバックパスに直列要素として接続されています。 抵抗器R〜1〜、R〜2〜、およびR〜E〜は、分圧安定化直流を提供します。 バイアス回路。 コンデンサC〜E〜は交流を提供します。 エミッター抵抗とRFC（無線周波数チョーク）コイルのバイパスにより、DC a.c.を切り離しながらバイアス 電力線の信号が出力信号に影響しないようにします。 結合コンデンサCのインピーダンスは、回路の動作周波数で無視できます。 ただし、DCはブロックされます。 コレクターとベースの間。
発振の回路周波数は水晶の直列共振周波数によって設定され、その値は次の関係によって与えられます。
f_o = \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ sqrt \ {L.C}}
供給電圧、トランジスタデバイスパラメータなどの変化に注意することができます 水晶によって安定化された状態に保たれる回路動作周波数に影響を与えません。
利点
水晶発振器の利点は次のとおりです-
- それらは高次の周波数安定性を持っています。
- 水晶の品質係数（Q）は非常に高いです。
デメリット
水晶発振器の欠点は次のとおりです-
- それらは壊れやすく、低電力回路で使用できます。
- 振動の周波数はあまり変更できません。
発振器の周波数安定性
発振器は、回路動作のためにより滑らかで明確な正弦波出力を得るために、変動なしでより長い期間その周波数を維持することが期待されます。 したがって、正弦波であろうと非正弦波であろうと、発振器に関しては周波数安定性という用語が本当に重要になります。
発振器の周波数安定性は、可能な限り長時間にわたって必要な周波数を一定に維持する発振器の能力として定義されます。 この周波数安定性に影響を与える要因について議論してみましょう。
動作点の変更
私たちはすでにトランジスタのパラメータに出会い、動作点がどれほど重要かを学びました。 増幅回路（BJTまたはFET）で使用されているトランジスタのこの動作点の安定性は、より重要な考慮事項です。
使用されるアクティブデバイスの動作は、その特性の線形部分になるように調整されます。 この点は温度の変動によりシフトするため、安定性が影響を受けます。
温度変化
発振器回路のタンク回路には、抵抗、コンデンサ、インダクタなどのさまざまな周波数決定コンポーネントが含まれています。 それらのパラメーターはすべて温度に依存します。 温度の変化により、それらの値は影響を受けます。 これにより、発振回路の周波数が変化します。
電源による
供給電力の変動も周波数に影響します。 電源の変動は、V〜cc〜の変動につながります。 これは、生成される振動の周波数に影響します。
これを回避するために、安定化電源システムが実装されています。 これは要するにRPSと呼ばれます。 安定化電源の詳細は、電子回路チュートリアルの電源セクションで明確に説明されています。
出力負荷の変化
出力抵抗または出力負荷の変動は、発振器の周波数にも影響します。 負荷が接続されると、タンク回路の実効抵抗が変化します。 その結果、LC調整回路のQファクターが変更されます。 これにより、発振器の出力周波数が変化します。
素子間容量の変化
素子間容量は、ダイオードやトランジスタなどのPN接合材料で発生する容量です。 これらは、動作中に電荷が存在するために開発されます。
素子間コンデンサは、温度、電圧などのさまざまな理由により変化します。 この問題は、問題の要素間コンデンサにスワンピングコンデンサを接続することで解決できます。
Qの値
Q（品質係数）の値は、オシレーターで高くなければなりません。 調整された発振器のQの値は、選択性を決定します。 このQは調整された回路の周波数安定性に正比例するため、Qの値は高く維持する必要があります。
周波数安定性は、数学的に次のように表すことができます。
S_w = d \ theta/dw
ここで、dθは、公称周波数f〜r〜の小さな周波数変化に対して導入される位相シフトです。 （dθ/dw）の値が大きいほど、発振周波数はより安定します。
