オシレータとは？知っておくべきすべてのこと

最近製造されたほとんどのプリント基板には何らかの形のオシレータが搭載されており、多くの集積回路にもオシレータが含まれています。オシレータとは何か、疑問に思うかもしれません。オシレータは、周期的な電子信号、通常は正弦波や方形波を生成する重要なコンポーネントです。オシレータはDC信号を周期的なAC信号に変換し、周波数を設定したり、オーディオアプリケーションに使用したり、クロック信号として使用することができます。すべてのマイクロコントローラやマイクロプロセッサは、機能するためにクロック信号を設定するオシレータが必要です。一部のデバイスには内蔵されており、一部のデバイスには外部オシレータが必要です - または、低精度の内部オシレータを持ち、外部信号を提供するオプションがある場合もあります。

電子デバイスは、時間の参照としてクロック信号を使用し、一貫して行動を実行できるようにします。他のデバイスは、オシレータの信号を使用して他の周波数を生成し、オーディオ機能を提供したり、無線信号を生成したりします。

異なるタイプのオシレーターとその機能の理解は、プロジェクトに適切なオシレーターを選択することを可能にします。ラジオ信号を作成しようとしている場合、他のデバイスに必要なものよりもはるかに正確なオシレーターが必要になるでしょう。オシレーターは、プロジェクトで簡単に見落とされがちなものであり、単にデータシートで指定された周波数範囲内で、基板のスペースとコスト要件に適している任意の古いオシレーターを選ぶという態度を取ることがあります。しかし、PCBの電力要件、基板の不動産、および必要な周波数の精度に応じて、選択にははるかに多くのことがあり得ます。一部のオシレーターはマイクロアンペア以下の電力で動作する一方で、いくつかは動作するために数アンペアを必要とします。

オシレーターは主に2つのカテゴリーに分類されます：調和とリラクゼーション。調和オシレーターは正弦波形を生成し、RC、LC、タンク回路、セラミックレゾネーター、および水晶オシレーターはすべてこのカテゴリーに属します。

この記事では、次のことを見ていきます：

• 抵抗-コンデンサ発振器（RC）
• インダクタ-コンデンサ発振器（LC）
• セラミック共振器
• 水晶発振器
• クリスタル発振器モジュール
• MEMS発振器
• シリコン発振器

RCやLC発振器を自分で作るつもりがなく、回路に簡単に追加できるパッケージ化された発振器についての情報を求めてこの記事を読んでいる場合でも、RCとLC発振器について話し始めます。それらがどのように機能し、どのような欠点があるかを理解することは、統合された発振器を持つ多くのICがRCまたはLC回路を使用しているため、不可欠です。

それらがどのように機能するかを理解することで、統合された発振器をいつ使用するか、外部のクロックソースを追加するのが適切な時期かをよりよく理解できます。発振器やクロックについてもっと学びたい場合は、ブレッドボード上でRCまたはLC発振器を簡単に構築し、オシロスコープでテストすることができます。それに入る前に、各発振器タイプの比較を簡単に見てみましょう。

発振器の性能比較

以下の表について注目すべき点は、市場にはさまざまなデバイスが豊富に存在するということです。例えば、固定周波数のMEMSオシレータを見る場合、DigiKeyで定期的に在庫されているオプションは、周波数安定性において150パーツパーミリオンから50パーツパービリオンの間で変動します。この広範囲の周波数安定性は、価格の幅広い範囲も伴いますので、あるオシレータタイプが広い温度範囲にわたって非常に高い安定性や精度を提供するオプションを持つ場合でも、別のオプションがあなたの精度要件に対して安価である可能性があるということを意味しません。

この極端な例として、Connor-Winfield社のOX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXOは、周波数安定性がわずか+/- 1.5ppb（十億分の1.5）のクリスタルオシレーターです。IQD Frequency Products社のLFRBXO059244BULK 10MHz原子オシレーターは、同じ+/- 1.5ppbの周波数安定性に対して、単品での価格が10倍以上します。にもかかわらず、$2000の原子オシレーターが極めて正確なオシレーターにとって優れた選択肢となる時があります。IQD Frequency Productsは、原子オシレーターよりも広い温度範囲で、驚異的な+/- 1ppbの周波数安定性を持つVCOCXOも製造しています。単品ボリュームでConnor-Winfield製品の2倍未満の価格であり、原子オプションよりもまだ10倍未満の安さです。今日、原子時計ソースを容易に入手できること、さらにはその一部の価格でより正確なクリスタルオシレーターを持てることが信じられないほど驚くべきことです。

RC発振器=rc>

さまざまなオプションの一般的な概要を説明したところで、最も基本的な発振器とその原理について詳しく見ていきましょう - RC発振器は、非常に基本的な電子部品を使ってブレッドボード上で簡単に構築できるものです。RC発振器（抵抗-コンデンサ）は、抵抗とコンデンサを使用して構築され、トランジスタやオペアンプなどの増幅装置を使用するフィードバック発振器の一種です。増幅装置はRCネットワークにフィードバックし、正のフィードバックを引き起こして繰り返し発振を生成します。

ほとんどのマイクロコントローラや、動作にクロック信号を必要とする多くの他のデジタルICには、内部クロック源を作成するためにRC発振器ネットワークが含まれています。

動作原理

RC発振器のRCネットワークは、信号の位相を180度シフトします。

正のフィードバックは、信号の位相をさらに180度シフトさせるために必要です。この位相シフトにより、180 + 180 = 360度の位相シフトが得られ、これは実質的に0度と同じです。したがって、回路の総位相シフトは0、360、または360度の別の倍数である必要があります。

RCネットワークへの入力と同じネットワークからの出力の間に位相シフトが発生するという事実を利用して、フィードバックブランチに相互接続されたRC要素を使用することができます。上の画像では、各カスケード接続されたRCネットワークが60度の位相遅れ電圧を提供することがわかります。3つのネットワークを合わせると、180度の位相シフトが生じます。

理想的なRCネットワークでは、最大の位相シフトは90度です。したがって、180度の位相シフトを作成するには、少なくとも2つのRCネットワークが必要です。しかし、各RCネットワークステージで正確に90度の位相シフトを達成することは困難です。必要な値と所望の発振周波数を生成するために、より多くのRCネットワークステージをカスケード接続して使用する必要があります。

純粋または理想的な単極RCネットワークは、正確に90度の最大位相シフトを生み出します。発振には180度の位相シフトが必要なため、RC発振器を作成するには、少なくとも2つの単極ネットワークを使用する必要があります。

RCネットワークの実際の位相は、選択された抵抗器とキャパシタの値に依存し、所望の周波数に合わせて決定されます。

複数のRCネットワークをカスケード接続することで、選択した周波数で180度の位相シフトを得ることができます。このネットワークのカスケードは、RC発振器、別名フェーズシフト発振器の基礎を形成します。バイポーラ接合トランジスタや反転増幅器を使用した増幅ステージを追加することで、入力と出力の間に180度の位相シフトを生み出し、上述のように、必要な0度に戻るための完全な360度のシフトを提供できます。

基本的なRC発振器の回路図

主要なRC発振器回路は、RCラダーネットワークから得られる再生フィードバックを使用して、正弦波出力信号を生成します。再生フィードバックは、キャパシタが電荷を蓄える能力によって発生します。

抵抗器とコンデンサのフィードバックネットワークは、先行位相シフト（位相進行ネットワーク）を生じさせるために接続することができるし、遅れ位相シフト（位相遅延ネットワーク）を作り出すために接続することもできます。RC位相シフト回路の抵抗器またはコンデンサを1つ以上変更することで、ネットワークの周波数を変更することができます。この変更は、抵抗器を同じに保ち、容量性リアクタンスが周波数によって変化するため、可変コンデンサを使用することで行うことができます。しかし、新しい周波数には、アンプの電圧利得を調整する必要があるかもしれません。

RCネットワークの抵抗器とコンデンサを選択する場合、RC振動の周波数は次のようになります：

R - フィードバック抵抗器の抵抗
C - フィードバックコンデンサの容量
N - カスケード接続されたRCネットワークの数

しかし、RCオシレータネットワークの組み合わせは減衰器として機能し、各RCステージを通過する際にある程度信号を減少させます。したがって、失われた信号を復元するためには、アンプステージの電圧利得が十分である必要があります。

より一般的なRCオシレータ回路は、オペアンプ位相進行RCオシレータです。

RCネットワークはオペアンプの反転入力に接続する必要があり、これにより反転増幅器の構成となります。反転構成は出力で180度の位相シフトを与え、RCネットワークと合わせて合計360度の位相シフトになります。

RCオシレータの別の構成には、オペアンプ位相遅延オシレータがあります。

LCオシレータ

LCまたはインダクタ-キャパシタオシレータは、タンク回路を利用して正のフィードバックを生成し、振動を維持するタイプのオシレータです。回路図には、インダクタ、キャパシタ、および増幅部品が含まれています。 

動作原理

タンク回路は、キャパシタとインダクタが並列に接続されており、上記の図には、動作原理を説明するためのスイッチと電圧源も含まれています。スイッチがキャパシタを電圧供給に接続すると、キャパシタが充電します。

スイッチがキャパシタとインダクタを接続すると、キャパシタはインダクタを通して放電します。インダクタを通る電流が増加すると、コイルの周りに電磁場を誘導してエネルギーを蓄積し始めます。 

スイッチがキャパシタとインダクタを接続すると、キャパシタはインダクタを通して放電します。インダクタを通る電流が増加すると、コイルの周りに電磁場を誘導することによってエネルギーを蓄え始めます。キャパシタの放電後、そのエネルギーは電磁場としてインダクタに移動します。キャパシタからのエネルギー流が減少するにつれて、インダクタを通る電流も減少します - これにより、インダクタの電磁場も低下します。電磁誘導により、インダクタは電流の変化に反対するL(di/dt)に等しい逆起電力を生み出します。この逆起電力はキャパシタを充電し始めます。キャパシタがインダクタの磁場からエネルギーを吸収すると、そのエネルギーは再びキャパシタ内の静電場として蓄えられます。

理想的なインダクタとキャパシタがあれば、この回路は永遠に振動を生成できます。しかし、キャパシタには電流リークがあり、インダクタには抵抗があります。実際には、エネルギーが失われるため、振動は以下のようになります。この損失は減衰と呼ばれます。

振動を持続させたい場合、バイポーラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、またはオペレーショナルアンプなどのアクティブコンポーネントを回路に追加することで、タンク回路からのエネルギー損失を補償する必要があります。アクティブコンポーネントの主な機能は、必要な利得を追加し、正のフィードバックを生成し、エネルギーの損失を補償することです。

チューンドコレクタ発振器

チューンドコレクタ発振器は、トランスとキャパシタが並列に接続され、トランジスタで切り替えられる回路です。この回路は、最も基本的なLC発振器の回路図です。トランスの一次コイルとキャパシタがタンク回路を形成し、二次コイルが正のフィードバックを提供し、タンク回路によって生成されたエネルギーの一部をトランジスタのベースに戻します。

コルピッツ発振器

コルピッツ発振器は、RFアプリケーションで非常に一般的なLCタンク発振器です。数百メガヘルツまでのアプリケーションに適しています。この回路は、2つのキャパシタを直列に配置し、電圧分割器を形成してトランジスタにフィードバックを提供し、並列にインダクタを配置します。この発振器は比較的安定していますが、調整が難しく、共振ネットワークに負荷をかけないようにエミッタフォロワ回路で実装されることがよくあります。

クラップ発振器

製造時にコルピッツ発振器を特定の周波数に調整する難しさを克服するために、インダクタと直列に可変キャパシタを追加してクラップ発振器を形成することがよくあります。この変更により、回路を製造およびサービス中に特定の周波数に調整することが可能になります。残念ながら、このタイプのLC発振器は、温度変動と寄生容量に対してまだかなり敏感です。

セラミックレゾネータ

圧電セラミック材料に2つ以上の金属電極（通常は3つ）を組み合わせることで、セラミック共振器が形成されます。電子回路内で、この圧電素子は機械的に共振し、特定の周波数の振動信号を生成します - チューニングフォークのように。セラミック共振器は低コストですが、セラミック共振器の周波数許容誤差は約2500〜5000ppmです。この0.25％から0.5％の目標周波数の許容誤差は、精密な用途には適していませんが、絶対的な精度が必要でない場所では、かなりのコスト削減になることがあります。

1kHz未満から1GHzを超える周波数において、セラミック共振器が使用するさまざまな材料と振動モードがあります。デザインに組み込むデバイスで使用されている共振方法を理解することが重要になることがあります。振動や衝撃などの環境要因が、回路内の共振器の機能に影響を与える可能性があります。

クォーツ発振器

クォーツ発振器は市場で最も一般的なタイプの水晶発振器です。精度と安定性が重要な場合、主な選択肢は水晶発振器とそのバリアントです。水晶発振器の安定性はppm（百万分の一）で測定され、特定のデバイスによっては、-20から+70セルシウスの範囲で0.01％から0.0001％の間で変動することがあります。RC発振器の安定性は最高で0.1％、LCは0.01％ですが、通常は約2％であり、温度変化に非常に敏感です。クォーツ水晶は、他の多くの発振器と比較して非常に少ない電力で振動させることができるため、低電力アプリケーションに最適です。

クリスタルが物理的な圧縮または、この場合は適用された電圧によって衝撃的に励起されると、特定の周波数で機械的に振動します。この振動はしばらく続き、その端子間に交流電圧を生成します。この振る舞いは圧電効果であり、セラミック共振器と同じです。LC回路と比較して、初期励起後のクリスタルの振動はより長く続きます。これは、クリスタルが自然に高いQ値を持っているためです。高品質の水晶クリスタルでは、Q値が100,000に達することは珍しくありません。LC回路は通常、Q値が数百程度です。しかし、はるかに高いQ値であっても、永遠に共振することはできません。機械的振動からの損失があるため、RCおよびLC発振器のような増幅回路が必要です。外部クリスタルクロックソースを取るほとんどのデバイスでは、これがデバイスに統合されており、追加で必要な電子部品は負荷容量だけです。負荷容量は重要です。これらの容量が不正確であると、発振器は安定しません。通常、発振器のデータシートには推奨値が記載されているか、回路に適した正しい値を計算するための方程式が提供されています。

考慮すべき他の事項:

1. キャパシタと水晶発振子は、できるだけMCUに近い位置に配置してください
2. できるだけ短くて広いトレースを使用して、寄生インダクタンスを防ぎます。

水晶発振器には多くのバリアントがありますが、一般的な水晶、または"XO"を超えて、他のオプションを使用するのは特殊なアプリケーションの場合がほとんどです。これらの特殊な発振器は非常に高価であり、絶対的な精度が求められる非常に厳しい環境で、驚くほど安定して正確な振動を提供できます。ほとんどのプロジェクトでは、以下のリストからTCXOを超えるものは必要ありませんが、さらに調査することが興味深いかもしれません。 

このリストはWikipediaからのものです：

• ATCXO — アナログ温度制御型クリスタル発振器
• CDXO — 校正済みデュアルクリスタル発振器
• DTCXO — デジタル温度補償型クリスタル発振器
• EMXO — 真空パッケージ型ミニチュアクリスタル発振器
• GPSDO — GPS制御発振器
• MCXO — マイクロコンピュータ補償型クリスタル発振器
• OCVCXO — オーブン制御電圧制御型クリスタル発振器
• OCXO — オーブン制御型クリスタル発振器
• RbXO — ルビジウムクリスタル発振器（RbXO）、内蔵ルビジウム標準に同期されたクリスタル発振器（MCXOも可能）で、電力節約のために時々のみ動作
• TCVCXO — 温度補償電圧制御型クリスタル発振器
• TCXO — 温度補償型クリスタル発振器
• TMXO – 戦術用ミニチュアクリスタル発振器
• TSXO — 温度感知型クリスタル発振器、TCXOの一種
• VCTCXO — 電圧制御温度補償型クリスタル発振器
• VCXO — 電圧制御型クリスタル発振器

クリスタル発振器モジュール

想定してみてください。クリスタルオシレータを使用するための増幅回路がないアプリケーションに対して、正確なクロックソースを探している場合、オシレータモジュールが素晴らしい解決策となるかもしれません。これらのモジュールには、必要な回路が全て内蔵されており、どのようなアプリケーションにも増幅されバッファされたクロックを提供できます。多くの完全統合デバイスと同様に、便利さの代わりに価格は通常、クリスタルオシレータ自体よりもはるかに高く、フットプリントも大きくなります。それでも、オシレータの増幅とバッファ回路を構築するよりも小さく、安定性についての心配がないという利点があります。

ほとんどのオシレータモジュールには、クリスタルとCMOSインバータゲートがあり、ピアスオシレータ回路を使用しています。CMOSインバータはトランジスタベースのオシレータよりも安定性が低く、消費電力が高いですが、CMOSインバータベースのゲートは多くのアプリケーションで簡単に、そして完全に使用可能です。

MEMSオシレータ

MEMSまたはマイクロエレクトロメカニカルシステムオシレータは、MEMS技術に基づく正確なタイミングデバイスであり、比較的新しい技術です。MEMSオシレータは、MEMSレゾネータ、OpAmps、および出力周波数を設定または調整するための追加の電子部品で構成されています。MEMSオシレータには、選択可能またはプログラム可能な出力周波数を生成するフェーズロックループがしばしば含まれています。

MEMSレゾネーターの動作は、高周波で鳴る小さな調整フォークに似ています。MEMSデバイスは小さいため、非常に高い周波数で鳴ることができ、調整された共振構造が数十kHzから数百MHzの周波数を生み出します。 

MEMSレゾネーターは機械的に駆動され、静電気的および圧電的の2つのカテゴリーに分かれます。主に、MEMSオシレーターは静電気的変換を使用しますが、圧電変換レゾネーターは十分に安定していません。圧電変換MEMSレゾネーターは、フィルタリングアプリケーションで使用されます。

MEMSオシレーターの主な利点の一つは、複数の負荷に使用でき、回路内の複数のクリスタルオシレーターを置き換えることができることです。この機能は、オシレーター回路が使用する価格とボードの不動産を大幅に削減することができます。他のオシレーター回路、さらにはクリスタルオシレーターと比較しても、MEMSデバイスの消費電力は、より小さいコア電流の引き出しのために非常に低いです。低い電力消費は、バッテリーから動作するデバイスが大幅に長く動作することを可能にするか、または電力を節約するために主オシレーター回路をオフにする必要をなくすことができます。MEMSオシレーターは、他のオシレーターとは異なり、動作するために外部コンポーネントを必要としません。これにより、さらにスペースとコストの節約が可能になります。初期のMEMSオシレーターは安定性に多少苦労しましたが、市場には+/- 8パーツ毎十億の周波数安定性を持つオプションがあります。それに対する支払いをする意思があればです。

シリコンオシレーター

記事の冒頭で述べたように、多くのデバイスにはシリコンに統合されたオシレータがあります。シリコンオシレータはほとんど同じで、別のパッケージに入っています。この集積回路は、シリコンから構築された完全なRCオシレータ回路を提供します。それは、通常、受動部品を使用して同様のコストで作ることができるものよりも、より良いマッチングと補償を提供します。小さなパッケージで。シリコンオシレータは、機械的に共振する要素がないため、衝撃を受けたり振動を経験するデバイスにとって大きな資産となることがあります。ほとんどのサプライヤーのウェブサイトでは、これらをオシレータカテゴリではなく、集積回路カテゴリの下で見つけることができます。

厳しい環境での他のオシレータに対する利点に加えて、シリコンオシレータは通常プログラム可能です。プログラミングオプションは特定のデバイスに依存しますが、周波数設定用の抵抗またはSPI/I2Cインターフェースが一般的です。シリコンオシレータは通常、約1-2%の比較的悪い周波数誤差を持っていますが、コンパクトで外部電源バイパスコンデンサのみが必要です。それらは、非精密アプリケーションで他のタイプのオシレータに対する低コストの代替品となることがあります。

要約

最適なクロックソースを選択することは簡単ではありません。一般的な安定性、温度、振動、湿度に対する感度、EMI、コスト、サイズ、消費電力、高度なレイアウト、追加コンポーネントなど、多くの要因があります。

統合RCオシレーターやシリコンオシレーターが適しているアプリケーションも多く、これらのアプリケーションでは追加の精度が必要とされないためです。内蔵オシレーターを利用することで、設計時間、コストを節約し、エンジニアリングリスクを減らすことができます。しかし、現代のアプリケーションでは、高精度が求められることが増えており、これにはクォーツクリスタル、セラミック、MEMSなどの外部オシレーターの使用が必要です。

例えば、高速USBは最小0.25%の周波数精度を要求しますが、他の外部通信では、5%、10%、あるいは20%の安定性を持つクロックソースで正しく動作することがあります。他の高速バスやRFアプリケーションでは、USBよりもはるかに高い周波数精度がしばしば要求されます。

マイクロコントローラー用オシレーターの消費電力は、フィードバックアンプの供給電流と使用されるキャパシタンス値に依存します。これらのアンプの消費電力は主に周波数に依存するため、非常に低電力のデバイスを設計したい場合は、デバイスがまだ作業を完了できる最小限のクロック周波数に下げることを検討してください。多くの場合、マイクロコントローラーには余分なクロックサイクルがたくさんあり、それらはすべて不必要な電力を消費しています。

セラミック共振器回路は通常、クリスタル回路よりも大きな負荷容量値を指定し、同じアンプを使用するクリスタル回路よりもさらに多くの電流を引きます。比較すると、クリスタルオシレーターモジュールは通常、温度補償および制御機能が含まれているため、10mAから60mAの供給電流を引きます。

市場には多くの種類のオシレーターがあり、それぞれに長所と短所があります。正確なタイミングが絶対に重要でない一般的な用途では、周波数要求を満たすほぼ任意のオシレーターデバイスや回路を使用できます。より高精度の回路では、広い温度範囲にわたっても十億分の一の周波数安定性を提供できるMEMSオシレーターなど、高コストのデバイスを検討することをお勧めしますが、オシレーター1つあたり数十ドルから数百ドルを支払うことを期待してください。

LEDコントローラーやマイクロコントローラーを使用して管理やユーザーインターフェースのコードを実行するだけの回路を構築している場合、統合RCオシレーターが必要なすべてを提供します。深海潜水艦を開発しており、その位置を正確に追跡できる場合を想定してください。その場合、広い温度範囲にわたって数十億分の数の安定性を持つオシレーターが、ギリギリで済む最低限かもしれません。センサーデータをより密接に統合したい場合や、無線通信に使用する帯域を狭めたい場合は、オシレーターがより安定している必要があります。たとえば、周波数を大幅に増幅している場合、メガヘルツのオシレーターからギガヘルツの信号を生成している場合、エラーが拡大されるため、オシレーターがより安定している必要があります。

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