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結晶の定義

水晶振動子,水晶振動子は、単に水晶振動子と呼ばれ、圧電効果を持つ水晶片でできています。

この水晶片は、交番電場が印加されると機械的振動を発生し、交番電場の周波数が水晶の固有振動数と同じになると、振動が非常に強くなり、これが結晶共振特性の反応です。

この機能により、LC(コイルおよびコンデンサ)共振回路、フィルターなどを水晶振動子に置き換えることができます。 水晶振動子は、小型、軽量、高信頼性、高周波安定性のため、家電製品や通信機器に使用されています。

水晶振動分類

主なカテゴリーごとに次の4つのカテゴリーに分かれています

1、単純な水晶発振器(XO)

これは最も基本的なタイプであり、その安定性は水晶振動子自体の固有の特性によって完全に決まります。 MHz範囲のより高い周波数の水晶は石英棒でできており、周囲温度が-55°Cから+125°C(-67°Fから+257°F)に変化する場合でも、比較的安定した方法で製造されます。 頻度。 このような広い温度範囲内であっても、適切にカットされた水晶振動子は±25 ppmの安定性を達成できます。 水晶発振器の性能は、温度変動が最大1%(10,000 ppm)以上のLC発振回路などの他の受動共振器と比較して大幅に向上しています。 ただし、一部のアプリケーションでは、25ppmでも十分ではないため、追加の対策を講じる必要があります。

2.温度補償水晶発振器(TCXO)

水晶の固有振動数と温度安定性がアプリケーションの要件を満たさない場合、温度補償ユニットを使用できます。 TCXOは、温度検出素子と、温度範囲全体にわたって水晶の周波数と完全に反対の電圧曲線を生成する回路を使用するため、水晶のドリフトを相殺することが理想的です。 TCXOの標準的な安定性仕様は、TCXOのタイプと温度範囲に応じて、±0.5ppm未満から±5ppmの範囲です。

3.サーモスタットで制御された水晶発振器(OCXO)

一部のアプリケーションでは、TCXOの周波数温度安定性の仕様ではまだ十分ではありません。 これらの場合、OCXOが必要になる場合があります。 名前が示すように、焙煎キャビティを持つ発振器は水晶をより高い温度まで加熱しますが、周囲温度が大きく変化しても水晶の温度が安定したままになるように制御されます。 水晶と発振器の敏感な部分の温度のわずかな変化により、周波数周囲温度の安定性が大幅に向上します。 OCXOの安定性は、周囲温度範囲で0.001 ppmです。 ただし、この安定性の向上は消費電力の増加を犠牲にしますが、当然、オーブンに熱を供給するためにエネルギーが必要です。 一般的なOCXOでは、内部温度を維持するために1〜5 Wの電力が必要になる場合があります。 起動後、安定した温度と周波数のウォームアップ時間も待つ必要がありますが、水晶発振器の種類によっては、通常1分から10分以上のウォームアップ時間があります。

4、電圧制御水晶発振器(VCXO)

一部のアプリケーションでは、発振器の周波数を調整または調整して、位相ロックループ(PLL)の基準に位相ロックするか、場合によっては波形を調整できることが望ましい場合があります。 VCXOは、電子周波数制御(EFC)電圧入力を通じてこの機能を提供します。 一部の特殊なコンポーネントでは、VCXOのチューニング範囲の仕様は±10ppmから±100ppm(またはそれ以上)の範囲です。

クリスタルセレクション

5要素

1、出力周波数

オシレーターの最も基本的な特性は、生成する周波数です。 定義上、発振器は入力電圧(通常はDC電圧)を受け入れ、特定の周波数で繰り返しAC出力を生成するデバイスです。 必要な周波数は、システムのタイプと発振器の使用方法によって決まります。
       2、周波数安定性および温度範囲
必要な周波数安定性は、システム要件によって決まります。 発振器の安定性は、次のように簡単に表すことができます:何らかの理由による周波数変化を中心周波数で割ったもの。 (すなわち:安定性=周波数変化÷中心周波数)

3.入力電圧と電力

通常、どのタイプの水晶も、システムにすでに存在するDC入力電源電圧で動作するように設計できます。 デジタルシステムでは、発振器が駆動するシステム内のロジックデバイスが使用する電圧と一致する電圧で水晶を駆動することが望ましい場合が多く、ロジックレベルが直接互換性があります。 + 3.3Vまたは+ 5Vは、これらのデジタルユニットの代表的な入力です。 高出力のその他のデバイスでは、+ 12Vや+ 15Vなどの高電圧を使用できます。 別の考慮事項は、デバイスに電力を供給するために必要な電流の量です。 XOまたはTCXOは数mAしか必要としない場合があるため、低電圧システムでは、消費電力は0.01 W未満になります。 一方、OCXOによっては、電源投入時に5Wまたは6Wが必要な場合があります。

4、出力波形

次に、発振器がシステムで駆動する負荷に一致する出力波形を選択します。 最も一般的な出力の1つはCMOSです。ロジックレベル入力を駆動します。 CMOS出力は、グランド電位とシステムのVddレール間で変動する方形波になります。 約100 MHzを超える高い周波数では、通常、微分方形波が使用されます。 これらのオシレーターは、立ち上がり時間と立ち下がり時間が短く、ジッターが非常に小さい2つの180°位相がずれた出力を備えています。 最も一般的なタイプはLVPECLとLVDSです。 50Ωの入力インピーダンスを持つミキサーやその他のデバイスなど、RFコンポーネントの駆動に発振器を使用する場合、通常、特定の電力レベルの正弦波出力が指定されます。 結果の出力電力は通常0dBm〜+ 13dBm(1mW〜20mW)ですが、必要に応じてより高い電力を出力できます。

5、パッケージのサイズと形状

水晶パッケージの要件は、発振器の種類と仕様に応じて大きく異なります。 シンプルなクロックオシレーターと一部のTCXOは、1.2 x 2.5 mm2の小さなパッケージにパッケージ化でき、一部のOCXOは50 x 50 mm2の大きさで、特定のデザインではさらに大きくできます。 デュアルインライン4ピンまたは14ピンタイプなどの一部のスルーホールパッケージは、大型コンポーネント(OCXOや専用TCXOなど)で引き続き使用されますが、現在のほとんどの設計では表面実装パッケージが使用されています。 これらの表面実装構成は、シールされたセラミックパッケージ、または組み込みI / Oを備えたFR-4ベースのコンポーネントです。

6、まとめ

デバイスを選択するとき、一般的に製品の信頼性を確保するためにいくらかのマージンを残す必要があります。 ハイエンドのデバイスを使用すると、故障の可能性がさらに減少し、潜在的なメリットがもたらされます。製品の価格を比較する際には、これらを考慮する必要があります。 発振器の「全体の性能」のバランスをとるためには、安定性、動作温度範囲、水晶の経年劣化効果、位相ノイズ、コストなどのさまざまな要因を比較検討する必要があります。 また、製品を一生使用するコストも含まれます。

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