水晶または発振器：クロックソースの選び方
水晶は周囲に回路を必要とする共振子です。発振器はパッケージ内に収まった完全なクロックです。選択のポイントは主に精度、起動時間、そして設計のどこまでを自社で担うかです。
簡単な回答
- 水晶（XTAL）: 最も安価で、負荷コンデンサとMCUの発振回路が必要、通常±10–50 ppm。
- 発振器（XO）: 電源入力、クロック出力、負荷容量不要設計、通常 ±20–50 ppm、ジッタ特性が良好で起動が高速。
- TCXO / OCXO: ±0.5–2 ppm / ±0.001–0.05 ppm、無線およびタイミング基準用。
- 共振器: 最も安価、±0.3–0.5 %、非クリティカルなタイミング用途専用。
1. 基本的な違い
水晶は2枚の水晶板です。共振周波数では、非常に高いQを持つインダクタ－キャパシタ対のように振る舞います。単独では発振しません。正しい位相と十分な利得を持つ増幅器が必要であり、これがMCUに発振器ピンがある理由であり、負荷コンデンサが重要である理由です。
発振器は、共振子、増幅器、通常はバッファを1つのパッケージに収めています。電源を入れればクロックが得られます。これにより、負荷コンデンサの設計、負抵抗テスト、およびレイアウト感度のほとんどが不要になります——その代わりにコストがかかります。
トレードオフは単純です。水晶の場合、発振器設計の一部を自分で担います。つまり、CLから負荷コンデンサを選定し、負抵抗を確認し、浮遊容量を制御する必要があります。XOの場合、そのいずれも自分で担いません——ただし部品単価は高くなり、ベンダーが規定するジッターと安定性に依存します。
2. 精度クラス
| タイプ | 標準的な安定度 | 用途 |
|---|---|---|
| Ceramic resonator | ±0.3–0.5 % | Non-critical MCU timing |
| Crystal (XTAL) | ±10–50 ppm | MCU, USB, general digital |
| XO (MEMS or quartz) | ±20–50 ppm | Simple clock, fast start, robust |
| TCXO | ±0.5–2 ppm | Radio, GNSS, timing |
| OCXO | ±0.001–0.05 ppm | Instrumentation, base stations |
3. 起動とジッタ
起動時間は、電源投入後すぐに製品を準備完了にする必要がある場合や、スリープから繰り返し復帰する場合に重要になる。水晶の起動時間は発振器の利得と共振子のQおよびESRに依存する。XOはデータシートに数値として規定されている。
実用的な例：100 msごとにウェイクアップするセンサーノードでは、ウェイクアップのたびに3 msの水晶発振器の起動時間を許容できない。プロトコルウィンドウの前に無線機を準備する必要があるためだ。数十マイクロ秒で起動するXOやMEMSは、電力予算を変える。
データコンバータ、Ethernet、SerDesでは、重要な指標は周波数許容偏差ではなくジッタ（位相ノイズ）である。位相ノイズが悪い安価なXOは、ppmの数値が良く見えても、優れた発振回路で駆動される水晶より劣ることがある。
3b. ppmが実際に意味するもの
50 ppmは100万分の50、つまり0.005 %である。1 MHzでは50 Hz、100 MHzでは5 kHzになる。115200ボーのUARTでは2 %まで許容されるため、ppmは無関係である。時刻クロックでは、50 ppmは1日あたり4.3秒であり、これは非常に重要である。
| アプリケーション | 許容誤差 | 実用的な供給源 |
|---|---|---|
| UART / SPI | ±1–2 % | Resonator or crystal |
| USB full speed | ±2500 ppm | Crystal |
| Ethernet | ±50 ppm | Crystal or XO |
| RTC | ±20 ppm | Tuned crystal or TCXO |
| GNSS / radio | ±0.5–2 ppm | TCXO |
4. ボード上で何が変わるか
| 項目 | 水晶 | 発振器 |
|---|---|---|
| Load capacitors | Required, calculated from CL | None |
| Layout sensitivity | High; stray capacitance matters | Lower; keep the clock trace clean |
| Power | From the MCU oscillator | Own supply pin, needs decoupling |
| Enable / standby | MCU-controlled | Often has an enable pin |
| Output type | Sine-ish at the pins | CMOS, LVDS, LVPECL |
発振器の出力が差動（LVDS/LVPECL）の場合、終端と整合するレシーバが必要です。CMOS XOを差動クロック入力に接続するには、コンバータまたは別の部品が必要です — この不一致は、クロックが「問題なさそう」に見えてもジッタがひどいという形で現れます。
5. どちらをいつ選ぶか
- 温度範囲での精度は？±10 ppmより良い精度が必要なら、TCXOが実用的な答えです。水晶とソフトウェア校正でも動作可能ですが、脆弱です。
- 起動？製品をマイクロ秒で準備する必要があるなら、水晶ではなくXOまたはMEMSを使用してください。
- 基板スペースと複雑さは？XOは2個のコンデンサと負荷容量の計算を不要にします。
- コストは？水晶は数セント、XOは数ドル、TCXOは数ドルから十数ドル、OCXOは数十ドルです。
水晶設計側 — CL、負性抵抗、駆動レベル — については、次を参照してください:クリスタル起動ガイド. クロックラインのレイアウトには、他の高速ペアと同じ規則が適用されます。
5b. コストとスペース
| 部品 | 参考単価 | 基板スペース |
|---|---|---|
| Resonator | cents | Small |
| Crystal | cents | Small, plus two capacitors |
| XO | about a dollar | Larger can |
| TCXO | several dollars | Larger, needs clean supply |
| OCXO | tens of dollars | Module with heater |
6. FAQ
水晶振動子を発振器に置き換えられますか？
MCUにクロック入力ピンがある場合に限ります。多くのMCUは同じピンで外部水晶振動子または外部クロックのどちらかを受け付けます。配線前にデータシートを確認してください。
MEMSは水晶と同等に優れていますか？
多くのデジタル設計では、はい — MEMSは堅牢でプログラマブルであり、起動も速いです。高精度タイミングでは、水晶のTCXO/OCXOが安定性と位相ノイズで依然として優れています。
発振器が予想より多くの電流を消費するのはなぜですか？
CMOS出力段は、負荷容量と周波数に比例する電流に加え、コア電流も消費します。出力負荷と未使用出力を確認してください。
XOでも負荷コンデンサは必要ですか？
いいえ。発振器には独自の共振子と帰還回路が内蔵されています。出力にコンデンサを追加すると、ドライバに負荷がかかるだけです。
コスト削減のために共振子を使うのはどうですか？
±0.3–0.5 %の非クリティカルなタイミング用途には許容できます。USB、高ボーレートのUART、ppm精度が必要な用途には適しません。
無線用基準として水晶振動子を使用できますか？
温度範囲にわたる校正をして初めて実現でき、しかもそれでもドリフトします。無線やGNSSではTCXOが一般的な解決策です。
7. 出典
- メーカーのデータシート — 水晶のCL/ESR、XO/TCXOの安定性、位相ノイズ、起動。
- Texas Instruments,発振回路における CMOS アンバッファドインバータの使用(SZZA043).
- クロックジッタと位相ノイズに関する発振器ベンダーのアプリケーションノート。
クロック源の選定は？
必要精度、温度範囲、起動時間、ジッタバジェットをお送りください。ご発注前に、水晶、XO、TCXOのいずれかに絞り込みます。
