水晶発振器＠日日是休日

水晶発振器（１）

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	予備実験。　２７ＭＨｚのＨＣ１８Ｕの水晶があったので、２ＳＣ１８１５ＢＬのコルピッツ発振回路でやってみる。　出力はエミッタから取り出して、２ＳＫ１９のソースフォロワのバッファへ。　極めて当たり前の発振回路だ。
こんな感じ。　上が発振ユニット、下がバッファユニット。　同調回路がどこにもないので、結果は想像がつく。
	当然こうなる。　この水晶は３倍オーバートーンだと思うが、基本波の９ＭＨｚで発振している。　高調波は２００ＭＨｚ付近まで出ている。第２，第３高調波は基本波より１０ｄＢも下がっていない。　こんな事では道のりは遠いな。
【参考になる記事】水晶デバイス基礎講座：セイコーエプソンの技術者による全１２回の連続講座。技術情報と注意事項：エプソンの技術資料。水晶振動子の特性と発振回路について：京セラの技術資料。　さて、普通の水晶を普通の発振回路で発振させると、大変汚い波形が出ることがよく分かった。みんながこんなものを平気で使っているのは、後ろに同調回路がついているからだ。　しかし、水晶のＱは非常に高いのだから、本来ならフィルター無しでもきれいな正弦波が出るはずだ。　今回の課題を再掲する。 (1) ４５５ｋＨｚの発振器。 (2) きれいな正弦波。 (3) ５０Ω負荷で、３Ｖの出力。　まず第１の課題、４５５ｋＨｚの発振から取りかかる。　ネットを漁ってみると、低い周波数の水晶発振が面倒臭いのが分かってきた。　アマチュア無線の４７５ｋＨｚバンドの自作記事では、たった７ｋＨｚしかバンド幅がないのに、ＶＸＯは使われていない。高い周波数から分周している。　直接発振させるのが、余程面倒臭いのだろうか。　とりあえず、やってみよう。
	水晶を４５５kHzのＨＣ６Ｕに換えてみた。　当然発振しません。　コンデンサを２５ｐＦ×２から、増やしていく。　２２０ｐＦ発振せず。３９０ｐＦ発振せず。　６８０ｐＦ発振した。やったね。
ただし、スペクトルはこんな具合。　第１０高調波までは、基本波と同じくらいの強さだ。　一応発振はするが、このコンデンサの値はどれくらいがベストなのだろうか。　本当なら、この水晶の負荷容量ピッタリにすればよいのだが、データがないので分からない。
	コンデンサの値を色々変えて、基本波の強度を比べてみた。（-８０ｄＢは発振が止まっている状態。）　横軸は容量（ｐＦ）、縦軸は基本波の強さ（ｄＢｍ）。　６００ｐＦから１０００ｐＦ辺りが最強だが、いかにも崖っぷちだ。　１０００～３０００ｐＦの間が安定して良いだろう。
高調波がドッサリ出ているので、どんな波形かというと、こんな感じ。　輝線がにじんで見えるのは、ノイズが乗っているから。　奇数次だけでなく、偶数次の高調波も出ているのが波形から分かる。　とりあえず、４５５ｋＨｚを安定に発振する、という課題はクリアしたので、次はきれいな正弦波だ。
	そこで、コンデンサは２０００ｐＦに固定しておいて、バイアス抵抗を大きくして、発振を弱くする。　どんどん発振を弱くすると、スペクトルは下の写真の様に、きれいになっていく。


一番下の右は、信号が小さくなって見えないので、目盛りを変えたから注意。　発振を弱くすると基本波も小さくなるが、高調波が急激に減って、スペクトルがきれいになっていくことが分かる。　それじゃあ、出来るだけ発振を弱くして、不安定にならないようにＡＧＣをかけたらよいだろうと、考えた。
	ところがギッチョン。そう簡単にはいかない。一番最後のスペクトルの、オシロ波形がこれ。　確かに、波形は正弦波に近づいた。　しかし、このように輝線がひどくにじんでいるのは、基本波が弱くなって、ノイズと差が無くなったから。　ある程度の発振強度がないと、Ｓ／Ｎが悪くなる。難しいぞ。
もともとコルピッツ発振回路は波形が汚いのは知られている。これ以上は無理かも知れない。　他の発振回路を検討する前に、信号の取り出し口を変えてみた。
水晶自体はＱが高いので、きれいな正弦波を出していても、アンプでひずませている可能性がある。　発振回路からバッファへの接続を、エミッタから取らずに、水晶から直接に変えてみた。　残念ながら、ほとんど良くならない。ちょっと、意外だ。
	バイアス抵抗を変化させて、発振の強さを変える方法では、トランジスタの動作点までデタラメに変わってしまう。　そこで、信号の取り出しだけでなく、バイアスとフィードバックコンデンサも検討し直して基板から作り直してみた。　バイアスは電流帰還バイアスに変える。帰還量や動作点はＣ１とＲ１で調整する。
Ｃ１＝１０００ｐＦ、Ｒ１＝８０ｋΩにした時が、一番スペクトルがきれいになった。　トランジスタを２Ｎ３９０４にしたのは、手持ちの２ＳＣ１８１５がＢＬランクで、扱いにくかったから。　電源は５Ｖに下げてみたが、発振が弱くなるだけで、スペクトルはきれいにならないので、９Ｖに戻す。
	結果は上々。　コルピッツ発振回路の波形の汚さを知っている人なら、驚くはず。（このページの上から２番目のスペクトルと比較してみよう！）　第２高調波は基本波より４３ｄＢ低い。第３高調波はさらに１０ｄＢ以上低い。第４高調波はさらに１０ｄＢひくく、第５高調波以下はノイズレベルだ。　この後ろに狭帯域バッファを入れれば、十分きれいになるはずだ。