発振余裕度の概要
概要
発振余裕度とは発振停止までのマージンであり、発振回路における最重要項目です。
この余裕度は水晶振動子の抵抗値を基準とした比率で表され、回路が有する増幅発振能力を示します。
理論上、発振余裕度が 1 以上であれば回路は動作します。ただし、発振余裕度が 1 に近い場合には、起動時間が長くなる等の理由によりモジュールの動作不良リスクが高まります。こうした問題は、発振余裕度を大きく取ることで解決できます。
発振起動時には発振余裕度を 3 倍以上に確保することを推奨します。
自動車用途では起動時に 10 倍、IoT 市場では 5 倍 が一般的な要求値です。
定常状態では 3 倍を許容するサプライヤもあります。
以下に、本現象をわかりやすく説明するための発振例を示します。
起動時、発振を確実に開始するためにハードウェアが内部設定を行い、このとき負荷容量は 0 pF となります。その後は定常状態に入り、内部キャパシタバンクの負荷容量が有効になります。
負荷容量が適切な発振ゲインに合わせて設定されていない場合、起動後に発振が維持されません。
発振ゲインの値は、水晶パターン上の抵抗経路にも依存します。
良い評価方法としては、水晶パスに抵抗を直列挿入し、発振が起動するかを確認することです。
SDK では、ゲインおよび負荷容量をアプリケーションコードで直接設定できます。
計算
発振余裕度の計算
発振余裕度は、以下の式に示すモーショナル抵抗 Rm を用いて算出します。
例: EVK ボードの 32 kHz 水晶（NX2012SE）
ESR 80000,0 ohm
Rm1 79978,2 ohm
Lm1 3900 H
Cm1 6,00E-15 F
C0 1,70E-12 F
CL 1,25E-08 F
fr 32901,2 Hz
fosc 32771 Hz
直列抵抗 Rs_max: 7.5 × 10^5 Ω
発振余裕度: 10.3
計測手順
- 測定の要件
- PCB
- クリスタルユニット（等価回路定数データ付き）
- 抵抗器（SMD）
- 測定機器: オシロスコープ、周波数カウンタなど、発振を観測できる装置
- 共振器に抵抗器を直列に接続し、発振回路が動作するかを確認します。
- 発振が確認できた場合は抵抗値を大きくします。発振がない場合は抵抗値を小さくします。
- 発振が停止する直前の抵抗値 (Rs_max) を特定します。
- Rs_maxで発振周波数を測定してください。
- Rs_max に基づいて発振余裕度を計算します。
備考
- 発振余裕度は水晶振動子の特性だけでなく、MCU、コンデンサ、抵抗など発振回路を構成する部品にも影響されます。そのため、モジュール上で MCU の機能確認を行った後に発振余裕度を測定することを推奨します。
- 直列抵抗は評価目的のみで使用してください。実運用では使用しないでください。
- モジュールの機能も確認することをお勧めします。発振回路の周波数ずれなどにより、モジュールが正しく動作しない可能性があります。
- 治具やソケットを使用して測定することも可能ですが、これらによる寄生成分が発振余裕度に影響を及ぼす点にご注意ください。
KW45/K32W1 製品の発振余裕度概要
32MHzクリスタル
NXP は、Bluetooth LE で要求される ±50 ppm を満たすために、NDK 製水晶振動子 NX1612SA（EXS00A-CS14160） または NX2016SA（EXS00A-CS14161） の使用を推奨しています。
現在の SDK を使用した場合、NXP は起動時に発振余裕度 10（自動車用途で一般的）、定常状態で 3 を保証します。
ISEL と CDAC の設定値を高めることで発振余裕度をさらに向上させることができますが、消費電力の増加およびクロック精度の低下というトレードオフが発生します。（負荷容量バンク CDAC と発振器増幅電流 ISEL）
NDK の推奨／目標発振余裕度は案件ごとに通知されます。
一般的に、要求される振動マージンは推奨値とその3倍の間である必要があります。
NDK の水晶振動子サプライヤ（FR）によれば、発振余裕度の仕様は起動フェーズでのみ必須であり、定常状態では必須ではありません。発振を開始する段階ではエネルギーが最も必要となるため、発振器ゲインは最大に設定されており、消費電力は最適化されていません。発振が安定した後はゲインを下げて電力を節約しても、発振動作には影響しません。
水晶振動子は機械的現象によって振動する点に留意してください。列車を動かし始める際、多大なエネルギーが必要となるものの、一旦定速走行に入れば維持に必要なエネルギーは少なくなる──
それと同じ原理です。水晶振動子を発振させ始めることは、停止している列車を走り出させるのに似ています。列車が止まっている状態から動き始めさせるには多くのエネルギーが必要ですが、一度公称速度に達すると、その動きを維持するのに必要なエネルギーは少なくなり、完全に停止させるには逆に大きなエネルギーが必要となります。
例: 発振余裕度 10（直列抵抗 Rsmax = 560Ω）
内部ブロックで発振が開始・伝搬する CDAC／ISEL の動作領域（oscill）は、下表に定義されています。
32 kHz 水晶
Bluetooth LE で要求される ±500 ppm を満たすために、NXP は NDK 製水晶振動子 NX2012SE（EXS00A-MU01517） または NX2012SA（EXS00A-MU00801） の使用を推奨しています。
現在の SDK を使用すると、この水晶振動子で得られる発振余裕度は 10 ですが、クリスタル負荷容量選択 (Cap_Sel) と発振器粗ゲイン設定 (ESR_Range) に制約があり、それぞれ消費電力とクロック精度に影響します。
発振余裕度を 10 とする場合、Cap_Sel で選択できるコンデンサ値は下図の緑色領域に示す範囲に限定されます。
例: 発振余裕度 6.4 の構成（負荷容量 14 pF、ESR_Range = 3）では、32 kHz 周波数精度は約 91 ppm です。負荷容量を 10 pF に減らすことで発振余裕度を 10.3 まで高めることができますが、その場合周波数精度は 183 ppm に悪化します。
下図は、発振余裕度 10 における ESR_Range と負荷容量 (load cap) の関係を示しています。ESR_Range を大きくすると、負荷容量の許容変動範囲（緑色部分）が広がります。
例: 発振余裕度 10.3 の場合、ESR_Range を 2 → 3 に変更すると、クロック精度は 213 ppm → 183 ppm に改善しますが、消費電流は 169.5 nA へ増加します。
もう 1 つ重要な点として、同一の ESR_Range で負荷容量をさらに大きくすると、上記の例よりも消費電流が著しく増加します。
備考: 高い発振余裕度条件下では、水晶振動子の両端電圧は小さくなります。
発振余裕度を向上させるその他の方法
- 内部コンデンサバンクの代わりに外付けコンデンサを使用する発振余裕度を最大 10 まで高めることが可能
- BLE 用として目標 ±500 ppm で内部 32 kFRO を利用する