RTCはなぜ重要？自動化/IoT機器での重要性を探る：RTC設計講座【前編】（4/4 ページ）

» 2023年01月24日 15時00分公開

[Gordon Lee，EDN]

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水晶振動子と負荷コンデンサーを使用した等価回路

　水晶振動子と負荷コンデンサーで構成される等価回路を示したものが図3だ。

図3：水晶振動子と負荷コンデンサーを使用した等価回路［クリックで拡大］出所：Maxim Integrated

　図3の回路では、RCL直列回路がC₀とC_Lで並列共振する。このときの共振周波数を求める式は次のようになる。

　上記において

R₁、C₁、L₁は水晶振動子の運動パラメータ
C₀は水晶振動子の端子間の静電容量
F_Lは総実効静電容量に基づく共振周波数
C_TはC₁が（C_L＋C₀）と直列接続されているときの総実効静電容量

　をそれぞれ表している。

　F_Sは水晶振動子の直列共振周波数だ。

　C₀＋C_LはC₁をはるかに上回るため、F_Lの式はおおよそ次のように表せる。

　C_Lに関するF_Lの偏差は、負荷容量の変化に伴う周波数の変化（Hz）を表す。これを直列周波数で割ることで、単位静電容量当たりの周波数の変化率が求められる。この式は可変負荷容量値C_Lに基づく周波数感度を示している。

　この式では、C_Lが規定の負荷容量値に近い場合にのみ十分な近似値を得られる。負荷容量が規定値からかけ離れている場合、発振回路は正常に動作しない恐れがある。水晶振動子とコンデンサーが180度の位相シフトを生成してインバーターの入力に戻ることはできないからだ。

　コストと基板占有面積を減らすため、多くのRTCは工場調整された負荷コンデンサーを内蔵している。これらは水晶振動子の規定負荷容量に十分見合ったものであるはずだ。レイアウトがうまく設計されていれば、室温での周波数誤差は極めて小さくなる。水晶振動子からRTCのパッドまでのPCBトレースは、C_Lにさらなる寄生容量を持たせることがある。ある市販のRTCの場合、評価キットのPCBレイアウトに基づいて最適なクロック精度を得られるよう負荷容量が調整されている。言い換えれば、この評価キットにおける寄生容量はC_Lの中に含められているということだ。

エージング

　エージングとは経年による水晶振動子の共振周波数の変化のことだ。エージングの原因は、時間の経過とともに水晶振動子のパッケージ内部が汚染されることによる、水晶の質量の変化にある。通常、水晶振動子の共振周波数の変化は数ppm/年であり、変化のほとんどは最初の2年間で発生する。

　水晶振動子を高温環境にさらすとエージングを速める恐れがある。残念ながら、水晶振動子を定期的に較正すること以外にエージング効果についてエンジニアにできることはほとんどない。RTCの中には、ユーザーがクロック周波数を手動で調整できるよう、エージングオフセットレジスタを内蔵しているものもある。

　後編では、RTCの温度補償機能について説明する。

原文へのリンク

共振子（1） ―― 水晶デバイスとは
今回からはマイコンや各種発振器、フィルターに使われる共振子について説明していきます。これらの共振子は回路的には完成度が高く、指定された使い方を間違えなければ正しく動作します。発振器として市販されている部品もありますので適材適所で使い分けることが肝心になります。
高速通信向け多チャンネルタイミングデバイス
ルネサスエレクトロニクスは、通信速度400Gまたは800Gビット/秒の光通信ネットワークおよび有線ネットワーク向けに、シンクロナイザーやジッタ減衰器機能を搭載したタイミングデバイス「RC32614」を開発、量産を開始した。
過酷な環境にも耐えるチップスケール原子時計
マイクロチップ・テクノロジーは、過酷な環境下でも耐久性と安定性を提供するチップスケール原子時計「SA65 CSAC」を発表した。ウォームアップ時間は－40℃で2分間で、軍用および産業用システムに適する。
タイマーを使わないマイコン用タイミング発生器
車載用途向けリアルタイムクロックモジュール
セイコーエプソンは、32.768kHzデジタル温度補償水晶発振器を搭載した、車載用途向けリアルタイムクロックモジュール「RA8000CE」「RA4000CE」を開発した。動作温度範囲は－40～＋125℃で、車載機器や高温対応が求められるFA機器などに適する。
高温動作、高周波出力対応の温度補償水晶発振器
日本電波工業は、125℃の環境で動作でき、100MHzまでの高周波出力に対応した温度補償水晶発振器「NT2016SHC」を発表した。フォトリソグラフィ工程による水晶振動子設計の最適化に加え、高温動作、高周波に対応した発振回路を採用している。