簡単な技術資料
INDEX
標準的なインバーター水晶発振回路
発振余裕度(負性抵抗)の確認
負荷容量 と負性抵抗の関係
負荷容量と周波数の関係
基板上での周波数測定について
時計用水晶振動子の温度特性
SPXOの温度特性
水晶振動子・仕様の用語の簡単な解説

 ・ 水晶振動子の仕様の用語解説

<1> 常温周波数偏差    - Tolerance -

   → 指定の発振周波数に対する実際の周波数の偏差の規格。
      具体的には +25℃±5℃での負荷容量込みの発振周波数の偏差。 規格値は "±・・・ppm 以内 " と表します。

     ※ ppm --- 100万分の1の意味で、例えば 10MHz ( = 10*1,000,000 Hz ) の 1ppm は 10Hz になります。

<2> 周波数温度特性    - Temperature Stability -

   → +25℃の値を基準とし、 "動作温度範囲 " 内 ( =下記 <3> ) での周波数変化の最大値の規格。±・・・ppm以内で表します
      通常のATカット水晶振動子 ( MHz帯の水晶振動子 ) は 3次曲線のカーブを描きます (参考)。
      時計用の32.768kHz などのXTカットの水晶振動子は2次曲線のカーブを描きます ( 参考 ) 。

<3> 動作温度範囲   - Operating Temperature -

   → (2)の周波数温度特性を満たす温度範囲 。 -10〜+60℃、 -20〜+70℃など。

<4> 動作可能温度範囲    - Operable Temperature -

   → (2)の周波数温度特性は満たさない可能性があるが 発振動作は継続する温度範囲 。
      -40〜+85℃ など。ただし、高温や低温で 水晶振動子ではなく、発振回路側 ( Tr や ICなど ) に何らかの不具合が
      生じる場合には 水晶振動子の特性に関わらず、動作出来なくなるので注意が必要です 。


<5> 保存温度範囲   - Storage Temperature -

   → その温度での動作は保証しないが、その温度での非動作放置にて性能劣化が起きない
       温度範囲。 -40〜+85℃など。

     ※ ただし規格値ぎりぎりでの状態が続くと性能変化が大きくなる場合があります ( 特に高温側にて ) 。
       厳しい条件にさらされる場合は事前に環境について製造業者との打ち合わせが必要です。

<6> 負荷容量 ( CL )   - Load Capacitance -

   → 時々インバーター発振回路 などのコンデンサ値と混同されますが、実際は水晶振動子側から見た
     回路全体の等価直列静電容量値です。 通常は基本波の場合は <12pF> や <16pF> などが標準の値です。

     例えば 『負荷容量=16pF』 の水晶振動子は、水晶振動子から見た回路側の合成容量が『16pF』 の時に常温偏差
     の規格内の値にて発振します。


      通常のクロックの場合は、水晶振動子の負荷容量値に回路側のコンデンサなどで調整して周波数を
     合わせこみますが、量産数量の多い場合などは、逆に回路側の常数を先に決定し、その回路側の
     水晶振動子から見た全体の静電容量値に合わせて、水晶振動子の負荷容量を決定する事も可能です。
     ( いわゆる回路と水晶振動子のマッチングです )
     

 
 → 負荷容量を計算してみましょう

※ 負荷容量 ( CL ) の目安の計算式は、基板の浮遊容量
    (ストレ容量)を
Czとすると、

       CL = {(C1*C2) (C1+C2 )} +Cz

   浮遊容量:Cz は回路により異なりますが、目安として3〜10pF
   の間になります。 机上の計算では、Cz=5pFなどとし、概略の回路常数
   を計算します。
負荷容量(CL)=16pFの場合は、上の式から
  
     16 = ( C/2 ) + 5  ∴ C1=22pF ( =C2)
  になります。
最終的には実際回路で確認を行います。
 

 → 実際基板上で周波数が合わない場合は

   ・周波数が低く出る場合 ・・・ C1, C2の値を小さくする
   ・周波数が高く出る場合 ・・・ C1, C2の値を大きくする

   
その場合の注意点は・・・・

     ・ C1, C2を大きくすると発振余裕度が若干少なくなります(参考URL)。
     ・ パッシブプローブなどで周波数を測定するとプローブ負荷の影響により
       実際の周波数よりも低く測定されるので注意が必要です(参考URL)。



<7> 並列容量 ( Co )  - Shunt Capacitance -

   → 水晶振動子の端子間の静電容量値 。 この値は水晶振動子内部の設計値に依存します。
     通常のクロック用途でのご使用の場合は無視してよいパラメーターです。 特殊な用途の場合で
     規定すべき場合があります。詳細はお問い合わせ下さい。

<8> 励振レベル ( DL )  - Drive Level -

   → 水晶振動子に流れる規定の電流値の規格。 50μW、0.1mW、1.0mW など。
     仕様で定義されている値は、主に水晶振動子の出荷検査を行う際に振動子に印加する
     ドライブレベル値になります。
     実際回路上でのドライブレベルの測定には電流プローブとオシロスコープを用います。
      

<9> 等価直列抵抗値 ( CI または ESR ) - Crystal Impedanse - or - Equvalent Series Resistance -

   → 直列共振周波数における等価抵抗値。 一般に水晶振動子の抵抗値とはこの値を指します。
      この値は主に水晶振動子の大きさや周波数により物理的に実力値が決定されます。 形状が小さいほどこの値は
      大きくなる傾向にあります。 また周波数が高いほど小さくなります ( 基本波の場合 ) 。     
      50Ω以下、30Ω以下 などと規格値としては最大値で表現されます。
      発振回路設計時に発振起動の余裕度を見るためには、欠かせないパラメーターです。

<10> 周波数経年変化  - Aging-
 
   → 経時で変化する周波数の変化量の規格。 ±3ppm以内/初年度、±5ppm以内/初年度 など。
      経年変化は初年度が最も大きく、2年目以降は小さくなります。ごく小さな値づつ変化します。
     カウンタの基準など周波数基準系では重要な部分になりますが、一般クロック用途では無視できるレベルです。

      通常のクロック用の振動子では、±5ppm以内/初年度とすると2年目以降は±2または±3ppm以内などの規格
     になります。 経年変化の実際値は規格値の半分以下が概ねの実力値ですが、クロックの振動子(やクロックの発振器)
     では全数検査が難しいこともあり、一般に余裕を見た仕様値で定義しています。
     通常のクロック(±50ppm規格など)では無視出来るレベルです。
     (逆に±10ppm, 20ppmと変化してしまう場合は製造上の不良である可能性が考えられます)

     また経年変化の値(1〜3ppm程度/年)がアプリケーションに影響を及ぼす可能性のある場合はより厳しい規格の
     部品を採用する必要がありますので、製造メーカーと打ち合わせする必要があります。

     より高精度のTCXOやOCXOの場合は、仕様値は TCXO : ±1.0ppm以内/年、 OCXO : ±0.3〜0.03ppm/年
     など厳しい値になっています(型番により異なります)。

 
 ★ 付録 < 回路のマッチング調査について >
   

      < 水晶振動子の回路マッチング調査について >

      量産数量の見込まれる案件の場合は回路マッチング調査をお受けしています。
       調査内容は
@ 最適な回路常数及び負荷容量 A 発振余裕度 B 励振電流 です。
       以下のものをご用意頂きます。

           (1) 実際回路基板 ( 水晶振動子は搭載する必要はありません )
           (2) 電源投入部分と投入電圧のご指示
           (3) 発振回路周辺の回路図 ( 回路常数が分かるもの )
           (4) バッファ後の出力が取れる端子があればそのご指示 ( 理由 )


      マッチング調査の際には基板等をお預りしてからご回答まで2週間程度お時間を頂いています。
      テスト終了後には基板等は
全て返却いたします。


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