水晶発振器はデジタル回路設計の鍵であり、通常、回路設計では、水晶発振器がデジタル回路の心臓部として使用され、デジタル回路のすべての動作はクロック信号と切り離せないものであり、水晶発振器はシステム全体の正常な起動を直接制御するキーボタンであるため、デジタル回路設計があれば水晶発振器を見ることができると言えます。

I. 水晶発振器とは何ですか?

水晶発振器は、一般的に水晶発振器と水晶振動子の2種類を指しますが、直接水晶発振器と呼ばれることもあります。どちらも水晶の圧電効果を利用して作られています。

水晶発振器の仕組みは、水晶の両端に電界を加えると、水晶は機械的変形を起こし、逆に水晶の両端に機械的な圧力を加えると、水晶は電界を発生させます。この現象は可逆的なので、この水晶の特性を利用し、水晶の両端に交流電圧を加えると、チップは機械的振動を発生させ、同時に交流電界を発生させます。しかし、水晶によって生成されるこの振動と電界は一般的に小さいですが、特定の周波数であれば、振幅が大幅に増加します。これは、回路設計者がよく目にするLCループ共振に似ています。

II. 水晶振動子の分類（能動型と受動型）

① パッシブ水晶発振器

パッシブ水晶は水晶であり、通常は 2 ピンの非極性デバイスです (一部のパッシブ水晶には極性のない固定ピンがあります)。

受動水晶発振器は通常、負荷コンデンサによって形成されるクロック回路に依存して発振信号（正弦波信号）を生成する必要があります。

② アクティブ水晶発振器

アクティブ水晶発振器は、通常4ピンの発振器です。アクティブ水晶発振器は、CPU内部の発振器を必要とせずに矩形波信号を生成します。アクティブ水晶電源はクロック信号を生成します。

アクティブ水晶発振器の信号は安定しており、品質が優れており、接続モードが比較的単純で、精度誤差はパッシブ水晶発振器よりも小さく、価格はパッシブ水晶発振器よりも高価です。

III. 水晶発振器の基本パラメータ

一般的な水晶発振器の基本的なパラメータは、動作温度、精度値、整合容量、パッケージ形式、コア周波数などです。

水晶発振器のコア周波数: 一般的な水晶周波数の選択は、MCU などの周波数コンポーネントの要件によって異なりますが、そのほとんどは 4M から数十 M の範囲です。

水晶振動精度：水晶振動の精度は一般に±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPMなどであり、高精度クロックチップは一般に±5PPM以内であり、一般的な用途では約±20PPMが選択されます。

水晶発振器のマッチング容量：通常、マッチング容量の値を調整することで水晶発振器のコア周波数を変更でき、現在ではこの方法は高精度水晶発振器の調整に使用されています。

回路システムにおいて、高速クロック信号ラインは最優先事項です。クロックラインは繊細な信号であり、周波数が高くなるほど、信号の歪みを最小限に抑えるためにラインを短くする必要があります。

現在、多くの回路においてシステムの水晶発振器クロック周波数は非常に高く、高調波干渉エネルギーも強くなっています。高調波は入出力の2つのラインから発生するだけでなく、空間放射からも発生します。そのため、水晶発振器のPCBレイアウトが適切でない場合、強い漂遊放射問題を引き起こしやすく、一度発生すると他の方法では解決が困難になります。そのため、PCBボードのレイアウトにおいては、水晶発振器とCLK信号ラインのレイアウトが非常に重要です。