水晶発振器
発振器が連続動作しているときはいつでも、 frequency stability影響を受けます。その頻度に変化があります。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。
- 電源のバリエーション
- 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、静電容量、およびインダクタンスの値は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、圧電結晶が発振器に使用されています。
並列共振回路に圧電結晶を使用すると、発振器に高周波安定性がもたらされます。このような発振器は、Crystal Oscillators。
水晶発振器
水晶発振器の原理は、 Piezo electric effect。結晶の自然な形は六角形です。結晶ウェーハがX軸に垂直に湾曲している場合はXカットと呼ばれ、Y軸に沿ってカットされている場合はYカットと呼ばれます。
水晶発振器に使用されている水晶は、圧電性と呼ばれる性質を持っています。それでは、圧電効果について考えてみましょう。
ピエゾ電気効果
結晶は、結晶の一方の面に機械的応力が加えられると、結晶の反対側の面に電位差が生じるという特性を示します。逆に、一方の面に電位差がかかると、もう一方の面に沿って機械的応力が発生します。これはとして知られていますPiezo electric effect。
ロシェル塩、石英、トルマリンなどの特定の結晶性材料は圧電効果を示し、そのような材料は次のように呼ばれます。 Piezo electric crystals。クォーツは、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ている圧電結晶です。
圧電性水晶は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周波数と等しいときに最大になります。
クォーツクリスタルの働き
電子回路で水晶を機能させるために、水晶はコンデンサの形で2枚の金属板の間に配置されます。 Quartz安価でありながら入手可能性と強力な性質のため、最も使用されているタイプの結晶です。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と等しくすると、resonance発生し、結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。
水晶の等価回路
水晶を同等の電気回路で表現しようとすると、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。下の図は、それぞれ水晶の記号と電気的等価回路を表しています。
上記等価回路は、キャパシタンスCと並列の直列RLC回路で構成され、M。結晶が振動していないAC電源を横切って取り付けられた場合には、容量Cに相当するM。水晶が振動すると、調整されたRLC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以下のようになります。グラフが示すリアクタンス（X L又はX Cの周波数（f）の対）。水晶が2つの近接した共振周波数を持っていることは明らかです。
1つ目は直列共振周波数（f s）で、インダクタンス（L）のリアクタンスが静電容量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。
$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
第1並列共振周波数（fとP RLCブランチのリアクタンスは、コンデンサCのリアクタンスに等しい場合に発生）、M。この周波数では、水晶は外部回路に非常に高いインピーダンスを提供し、発振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
$$ C_T = \ frac {C C_m} {（C + C_m）} $$
C mの値は通常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）。
水晶発振器回路
水晶発振器回路は、水晶制御の同調コレクタ発振器、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。 transistor pierce crystal oscillator最も一般的に使用されるものです。これは通常水晶発振器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経路に直列要素として接続されています。抵抗R 1、R 2及びR Eは、分圧器安定化されたDCバイアス回路を提供します。コンデンサC Eはエミッタ抵抗及びRFC（無線周波数チョーク）コイルのACバイパスを提供する出力信号に影響を与える電源ライン上のAC信号を分離しながら、DCバイアスを提供します。カップリングコンデンサCは、回路の動作周波数で無視できるインピーダンスを持っています。ただし、コレクターとベース間のDCをブロックします。
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。
$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$
供給電圧、トランジスタデバイスパラメータなどの変化は、水晶によって安定化された状態に保たれている回路の動作周波数に影響を与えないことに注意してください。
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。
- 結晶の品質係数（Q）は非常に高いです。
短所
水晶発振器のデメリットは次のとおりです。
- それらは壊れやすく、低電力回路で使用できます。
- 振動の周波数はそれほど変えることはできません。
発振器の周波数安定性
発振器は、回路動作のためのより滑らかでクリアな正弦波出力を持つように、変動なしにその周波数をより長い期間維持することが期待されます。したがって、周波数安定性という用語は、正弦波であろうと非正弦波であろうと、発振器に関しては非常に重要です。
発振器の周波数安定性は、必要な周波数を可能な限り長い時間間隔で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説明してみましょう。
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くわし、動作点がいかに重要であるかを学びました。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。この点は温度変化によりずれるため、安定性に影響します。
温度の変化
発振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はすべて温度に依存します。温度変化により、それらの値が影響を受けます。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、Vcc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、略してRPSと呼ばれます。安定化電源の詳細については、ELECTRONICCIRCUITS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も、発振器の周波数に影響を与えます。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同調回路のQ値が変化します。これにより、発振器の出力周波数が変化します。
エレメント間の静電容量の変化
エレメント間静電容量は、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静電容量です。これらは、動作中に電荷が存在するために発生します。
エレメント間コンデンサは、温度、電圧などのさまざまな理由で変化します。この問題は、問題のあるエレメント間コンデンサの両端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
発振器では、Q（品質係数）の値を高くする必要があります。調整された発振器のQの値が選択性を決定します。このQは同調回路の周波数安定性に正比例するため、Qの値を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。
$$ S_w = d \ theta / dw $$
DθはF公称周波数における小さな周波数変化のために導入された位相シフトであるR。（dθ/ dw）の値が大きい回路ほど、発振周波数が安定しています。