発振回路について
セラミック発振子や水晶振動子の発振回路の設計をする際はまず、安定かつ確実に発振させる必要があります。
そのため、励振レベル(ドライブレベル)・発振余裕度・周波数精度の確認を行い、
その後に、周波数可変量、変調度、発振開始時間、発振波形などの検討を行います。
励振レベル(ドライブレベル)：ＤＬ
振動子の動作状態における（消費）電力または、電流のレベルで表示される。
過大な電力で振動子を動作させると、発振周波数の変化などの特性の劣化や、水晶片 の破壊の恐れがある。
そのため絶対最大励振レベルを超えない範囲で回路設計を行う必要がある。
最大励振レベルはメーカに仕様書を貰って確認する。
励振レベルはマッチング試験を依頼し確認する方法か、下記の測定方法にて励振電流を測定し、確認する方法がある。
電流制限抵抗Rdの値を上げることで励振レベルを下げることが出来る。
ドライブレベルDL=\(\ {Ix}^2・R_e\)
I=\(\frac{Vpp/2}{R_1+Rd}\)
Re＝\(\ R_1(1+\frac{Co}{CL})^2\)
負荷容量\(\ C_L=\frac{Cg＋Cd}{Cg+Cd}+Cs\)
※\(\ I_x：振動子に流れる電流。計測器で測定方法は以下の動画より確認。\)
※Vpp：振動子両端のピークtoピーク電圧[V]
※Rd：電流制限抵抗
※\(\ R_1\)(ESR)：等価直列抵抗であり、振動子が振動する際の損失抵抗。値が小さいほど良い。データシートに記載あり。
※\(\ DL_{max}\)：最大励振レベル。詳細はメーカに仕様書を貰って確認すること
参考：村田製作所：ドライブレベルの基礎知識
参考：マクニカ：水晶振動子の回路解析2
参考：セイコーインスツル：発振回路の設計について
周波数精度
負荷容量（CL）は、振動子を発振回路で使う条件として決めるためのもので、発振回路において振動子の両端子から 発振回路側を見た実効的な直列等価静電容量で表されます。
発振回路の負荷容量を小さくすると発振周波数が大きくなり、DLが低くなり、発振余裕度は高くなる。
負荷容量を大きくすると発振周波数が小さくなります。DLが高くなり、発振余裕度は低くなる。
発振周波数\(\ f_{osc}=f_L=fs(\frac{C_1}{2(C_0+C_L)}+1)\)
直列共振周波数fs＝\(\frac{1}{2π\sqrt{L1・C1}}\)
負荷容量\(\ C_L=\frac{Cg＋Cd}{Cg+Cd}+Cs\)
※Cs：ICの持つ浮遊容量（ICの2pin間の容量＋ボードパターン容量）。主に4~5pF
※C0：振動子の電極間容量。厚みと電極間面積により決定
※C1：振動子の等価直列容量。
※\(f_L：負荷時共振周波数\)
参考：村田製作所：発振周波数の基礎知識
参考：マクニカ：水晶振動子の基礎講座
参考：セイコーインスツル：発振回路の設計について
発振余裕度
振動子が発振回路で安定な発振をするためには、回路の負性抵抗が、振動子の等価直列抵抗に対して充分大きい（発振 余裕度が大きい）ことが必要です。発振余裕度は振動子の等価直列抵抗の5倍以上(理想は10倍以上)を推奨致します。
発振余裕度の測定は下記の動画にて解説している。
また、励振レベルを下げるために電流制限抵抗Rdを取り付けた場合は発振余裕度を低くしてしまうので注意すること。
発振余裕度＝\(\frac{|-R|}{Re+Rd}\)
負性抵抗|-R|=Re+Rv
振動子の実行抵抗値Re＝\(\ R_1(1+\frac{Co}{CL})^2\)
負荷容量\(\ C_L=\frac{Cg＋Cd}{Cg+Cd}+Cs\)
※Cs：ICの持つ浮遊容量（ICの2pin間の容量＋ボードパターン容量）。主に4~5pF
※C0：振動子の電極間容量。厚みと電極間面積により決定
※\(\ R_1\)(ESR)：等価直列抵抗であり、振動子が振動する際の損失抵抗。値が小さいほど良い。データシートに記載あり。
※Rd：電流制限抵抗。励振レベルを下げる用途で取り付けている。
※\(\ R_V：発振子に直列に接続し、回路が発振を開始するぎりぎりの抵抗値のことで、実際に測定して求めます。
Rvを最大にして発振を止めた状態から徐々に値を下げて発振を開始する時のRv値を求める。
参考：村田製作所：発振余裕度の基礎知識
参考：マクニカ：水晶振動子の回路解析2
参考：セイコーインスツル：発振回路の設計について
