水晶発振器とは？

水晶発振器は、シリコンと酸素から形成された水晶によって決定される周波数で信号を生成する電子回路です。 水晶の圧電特性により、数十キロヘルツ（KHz）から数百メガヘルツ（MHz）の非常に優れた共振器になります。 水晶発振器は通常、単一の正確な周波数でのみ動作するように設計されています。 これらの発振器は、携帯電話、全地球測位システム（GPS）受信機、および双方向無線で安定した周波数を作成するために使用されます。 また、時計、コンピューター、その他の電子機器の正確な計時にも使用されます。

水晶などの圧電材料の結晶は、結晶上の電極に電圧が印加されると、わずかに形状が変化する場合があります。 その電圧が除去されると、水晶は元の形状に戻り、電圧を生成することができます。 1880年に発見され、圧電性と呼ばれるこの特性は、発振器の動作にとって重要です。 時間の経過とともにさまざまな結晶材料を使用して実験が行われ、1910年代後半に最初の水晶振動子が組み立てられました。 1920年代以来、クォーツクリスタルオシレーターは、時計、アマチュア、商業、軍事用の無線機器で頻繁に使用されています。

水晶発振器の最初の電源投入時に、回路は水晶にランダムノイズ信号を導入します。 そのノイズの一部は、常に水晶の共振周波数にあり、これにより水晶が発振します。 水晶が形状を変化させるときに生成される電圧は、水晶発振回路によって増幅され、水晶振動子にフィードバックされます。 このプロセスが繰り返されると、水晶の限られた周波数帯域内の信号が強くなり、他の周波数はフィルタリングされます。 この「ウォームアップ」期間が完了すると、発振器は設計された周波数で正確に動作します。

クォーツクリスタルの形状、サイズ、およびカットによって、クォーツクリスタルの伸縮速度が決まります。 水晶発振器は、共振周波数と呼ばれるこの速度で動作できます。 また、共鳴周波数の倍数である倍音周波数で動作することもできます。 水晶は環境で自然に発生しますが、物理的に使用可能な結晶の収量と供給を増加させるために非常に多くの水晶が製造されます。

水晶発振器の周波数出力は、温度や突然の加速などのさまざまな外部要因の影響を受ける可能性があります。 放射線は、宇宙船の宇宙線、X線、または電離放射線のパルスなど、周波数に影響を与えます。 これらの要因の一部は、状態を監視し、それに応じて発振器出力を調整する追加の回路で補償できます。 一部の水晶発振器には、温度変化を補償するために内部に水晶を備えた正確に制御されたオーブンが含まれています。 水晶は、特殊な雰囲気と電場で焼成することにより、放射線に対して「掃引」または硬化することもできます。