כיצד לעמוד בדרישות תזמון מעגלים בהספק נמוך בפשטות וביעילות באמצעות מתנדי SPXO

תזמון מעגלים הוא פונקציה קריטית הנדרשת במגוון רחב של התקנים אלקטרוניים כולל מיקרו-בקרים, USB, Ethernet‏, Wi-Fi וממשקי Bluetooth, כמו גם התקני מחשוב וציוד היקפי, התקנים רפואיים, ציוד בדיקה ומדידה, בקרה תעשייתית ואוטומציה, אינטרנט של דברים (IoT), התקנים לבישים ואלקטרוניקה לצרכנים. תכנון מתנדים מבוקרי גביש עבור תזמון מערכת נראה תחילה כתרגיל פשוט, אך על המתכננים לשקול דרישות תכנון ופרמטרים רבים כאשר מבצעים התאמה של גביש קווארץ למעגל-משולב (IC‏) מתנד.

השיקולים הרבים כוללים אימפדנס תנועת הגביש, אופן תהודה, רמת הדחיפה וההתנגדות השלילית של המתנד. עבור פרישת המעגל, המתכנן צריך לשקול את הקיבוליות הפרזיטית של לוח המעגלים המודפסים, כולל פס ההגנה סביב הגביש והקיבוליות המשולבת על-השבב. התכן הסופי צריך להיות קומפקטי ואמין עם מספר רכיבים מינימלי, עם ריצוד עם שורש ממוצע ריבועים (rms) נמוך , ולהיות מסוגל לפעול על פני תחום מתחי כניסה רחב עם צריכת הספק מינימלית.

אחד הפיתרונות הוא שימוש במתנדי גביש במארז פשוט (SPXO). ממוטבים עבור צריכת הספק נמוכה וריצוד עם rms‏ נמוך, ובנוסף פעולה בין 1.60 ו- 3.60 וולט, מתנדי מתח-רצוף אלו מאפשרים למתכננים לממש פיתרונות הדורשים מאמצי תכנון מינימליים לשילוב בתוך מערכות.

מאמר זה ידון בקצרה בכמה מדרישות הביצועים ואתגרי התכנון החשובים שיש לעמוד בהם כדי לתכנן בהצלחה מעגלי תזמון באמצעות גבישי קווארץ בדידים ומעגלים-משולבים (IC‏) לתזמון. לאחר מכן הוא יציג פתרונות SPXO מבית Abracon ויראה כיצד המתכננים יכולים להשתמש בהם כדי לענות בצורה יעילה על צורכי התזמון של מערכות אלקטרוניות.

פעולת מתנד גביש ואתגרי התכנון

צריכת ההספק היא שיקול חשוב בהתקני אלחוט קטנים מוזני-סוללות. התקנים רבים כאלה מבוססים על רדיו ומעבדים של מערכת-על-שבב (SoC) בהספק נמוך ביותר היכולים לתמוך בחיי סוללה רבי-שנים. כמו כן, חשוב למזער את גודל הסוללה כדי להקטין את עלויות ההתקן מכיוון שהסוללה יכולה להיות המרכיב היקר ביותר במערכת. עם זאת, זרם אופן-המתנה הוא לעתים השיקול החשוב ביותר עבור אורך חיי הסוללה במערכות אלחוט קטנות, ומתנד השעון הוא לעתים דומיננטי בזרם אופן-המתנה. לכן, הקטנה למינימום של צריכת הזרם של המתנד היא קריטית.

למרבה הצער, תכנון מתנדים בהספק נמוך יכול להיות מאתגר. אחת הדרכים לחסוך באנרגיה היא להקטין למינימום את זרם ההמתנה על ידי כניסה למצב "מושבת" והפעלת המתנד רק לפי לצורך. עם זאת, מתנדי גביש אינם פשוטים לאתחול מהיר ואמין. המתכננים צריכים לדאוג להבטיח שהמתנד יצרוך זרם נמוך באופן המתנה ושיהיו לו מאפייני אתחול אמינים בכל תנאי הפעולה והסביבה.

תצורת מתנד Pierce‏ היא נפוצה במערכות SoC‏ לאלחוט בהספק נמוך (איור 1). מתנד Pierce‏ בנוי סביב גביש (X) וקבלי עומס (_1‏C ו- _2‏C), עם מגבר מהפך המשתמש בנגד משוב פנימי. בתנאים הנכונים, כאשר יציאת המגבר מוזנת חזרה לכניסה, הוא גורם להתנגדות שלילית ומתרחשות תנודות.

איור 1‏: מתנד Pierce‏ בנוי סביב גביש (X) וקבלי עומס (₁‏C ו- _2‏C). (מקור התמונה: Abracon)

גבישים הם מבנים מורכבים; דיון זה נותן רק מבט-על פשוט על פעולתם בתוך מתנדים.

שולי הגבר החוג-הסגור, Gm‏, יכול לשמש כספרת איכות (FOM) לאפיון האמינות של מתנד ביחס להפסדים השונים. הוא נקרא גם Oscillation Allowance‏ (OA‏). OA מתחת ל- 5 יכול לגרום לתשואות ייצור נמוכות ולבעיות אתחול הקשורות לטמפרטורה. תכנים עם OA של 20 ומעלה הם חסונים, מעניקים פעולה אמינה בתחום טמפרטורות הפעולה המתוכנן, ואינם רגישים לשינויים באצוות הייצור במונחים של תכונות הביצועים של הגביש וה- SoC.

כדי למדוד את ה- OA של מתנד, מוסיפים למעגל נגד משתנה, _a‏R (איור 2). הערך של _a‏R‏ מוגדל בהדרגה עד שהמתנד לא יכול יותר להתחיל. זהו הערך המשמש לקביעת ה- OA כדלקמן:

משוואה 1

כאשר:

_n‏R הוא ההתנגדות השלילית

_e‏R הוא ההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ESR‏)

משוואה 2

משוואה 3

כאשר קיבוליות העומס, _L‏C, מחושבת באמצעות:

משוואה 4

כאשר Cs הוא הקיבוליות הנודדת של המעגל, בדרך כלל 3.0 עד 5.0 פיקו-פאראד (pF).

איור 2‏: מתנד Pierce‏ המציג מודל גביש מורחב (בתיבה שבמרכז) ונגד מתכוונן (_a‏R) עבור מדידת ה- Oscillation Allowance‏. (מקור התמונה: Abracon)

ה- OA תלוי ב- (_e‏R)‏ ESR‏, וה- ESR‏ תלוי בפרמטר גביש הקווארץ _m‏R‏ ובקיבוליות העומס, _L‏C‏. ההשפעה של _m‏R ו- _L‏C על OA עולה עבור מתנדים בהספק נמוך, כגון אלה המשמשים בהתקני אלחוט בהספק נמוך. מדידת ה- OA לוקחת זמן ויכולה להאריך את תהליך הפיתוח. כתוצאה מכך עלולים להתעלם מכך ולגרום לבעיות ביצועים כאשר המערכת או ההתקן נכנסים לייצור.

בנוסף, הגדרת OA גבוה להבטחת פעולת מתנד אמינה עלולה לגרום לבעיות אחרות. לדוגמה, OA גבוה יביא לביצועים עיליים של מעגל מתנד, אך עלולים להתעלם מהפסדי ההספק עקב הגביש. הפסדים אלה יכולים להיות גורם משמעותי. נביט שוב באיור 2, איפדנס תנועת הגביש, _m‏R‏, גורם לפיזור הספק כאשר מחזורי הזרם עוברים דרך ההתנגדות. הזרם וההפסדים גדלים כאשר _L‏C‏ גדול יותר. המתכננים צריכים להשיג איזון בין הפסדי ההספק בגביש לבין ערך סביר של OA.

מניעת ריצוד

בעת תכנון מתנדי גביש קווארץ, חשוב להבין את הרעש ולהקטין אותו למינימום. ישנם שני סוגים של ריצוד, ששניהם נמדדים בדרך כלל כערכי rms:

• ריצוד מחזור-למחזור: נקרא גם ריצוד פאזה, זהו הפרש הזמן המקסימלי בין מספר פרקי-זמן של תנודות נמדדות, בדרך כלל על פני מינימום של 10 פרקי-זמן.
• ריצוד פרק-זמן: זהו השינוי המקסימלי של קצה השעון והוא נמדד בכל פרק-זמן, אך לא במספר פרקי-זמן.

המקורות העיקריים של ריצוד במתנדי גביש קווארץ כוללים רעש הספקת-הכוח, הרמוניות שלמות של תדר האות, תנאי עומס וסיומת לא תקינים, רעש מגבר ותצורות מעגל מסוימות. בתלות במקור, ישנן מספר שיטות שניתן להשתמש בהן כדי להקטין למינימום את הריצוד:

• שימוש בקבלי מעקף, חרוזי שבב או מסנני נגד-קבל (RC) לבקרת רעש הספקת-הכוח.
• ביישומים קריטיים הדורשים ריצוד נמוך ביותר, חשוב להשתמש בשיטה לבקרת ההרמוניות (מחוץ לנושא מאמר זה).
• הפחתת ההספק המוחזר אל היציאה על ידי מיטוב תנאי העומס והסיומת.
• הימנעות משימוש בתכנים הכוללים חוגים נעולי פאזה, מכפילים או מאפיינים ניתנים-לתכנות מכיוון שהם נוטים להגדיל את הריצוד.

מתנדי גביש במתח-רצוף

מתכנני מערכות עם ממתחי מערכת משתנים בין 1.60 ל- 3.60 וולט יכולים להפיק תועלת משימוש ב מתנדי SPXO‏ ASADV‏, ASDDV‏ ו- ASEDV‏ מבית Abracon (איור 3‏). משפחות SPXO אלה מכסות תחומי תדרים שונים; 1.25 מגה -הרץ (MHz‏) עד 100 מגה -הרץ להתקני ASADV, ו MHz‏ 1‏ עד MHz‏ 160 להתקני ASDDV ו- ASEDV. הם תואמי RoHS/RoHS II ומגיעים במארזים קרמיים אטומים הרמטית להרכבה-משטחית (SMD). יציבות התדר שלהם היא ±25 חלקים-למיליון (ppm‏) על פני תחום טמפרטורות הפעולה שלהם של 40‎°C- עד 85°C+.

איור 3: מתנדי SPXO‏ ASADV (מוצג), ASDDV ו- ASEDV מגיעים במארזים קרמיים אטומים הרמטית ויכולים לפעול מ- 40°C- עד 85°C‏+. (מקור התמונה: Abracon)

הממדים של ASADV‏ הם ‎2.0 x 1.6 x 0.8 מילימטר (מ"מ), של ASDDV‏ הם ‎2.5 x 2.0 x 0.95 מ"מ ושל ASEDV‏ הם ‎3.2 x 2.5 x 1.2 מ"מ. שלוש הסדרות הללו זמינות עם מגוון תחומי טמפרטורות פעולה נפוצים, אפשרויות יציבות ופורמטי יציאה תואמי CMOS/HCMOS/LVCMOS.

חשוב לציין כי משפחות ASADV, ASDVD ו- ASEDV ממוטבות לפעולה בזרם נמוך (איור 4). פונקציית הפעלה/השבתה מפחיתה את הזרם ל- 10 מיקרו-אמפר (μA‏) בלבד במצב השבתה. יש להם זמן אתחול מקסימלי של 10 מילי-שניות (ms‏).

איור 4‏: צריכת הזרם של מתנדי סדרת ASEDV‏ לעומת מתח ההספקה המוצגת היא טיפוסית לביצועי משפחה זו של מתנדי SPXO‏ (נמדדים ב- 25°C‏ ±‏C‏°‏3‏). (מקור התמונה: Abracon)

לכל שלוש המשפחות של מתנדי SPXO יש צריכת זרם נמוכה במיוחד. עבור ה- ASADV, הזרם המקסימלי (נמדד לתוך עומס של pF‏ 15 ב- 25°C) הוא מ- 1.0 מילי-אמפר (mA) ב- MHz‏ 1.25 ומתח הספקה של 1.8 וולט, עד mA‏ 14.5 ב- MHz‏ 81 ומתח הספקה של 3.3 וולט. עבור ה- ASDDV ו- ASEDV, הזרם המקסימלי הוא מ- mA‏ 1.0 ב- MHz‏ 1‏ ומתח הספקה של 1.8 וולט, עד mA‏ 19 ב- MHz‏ 157‏ ומתח הספקה של 3.3 וולט.

ההתקנים יכולים לדחוף מספר עומסים ויש להם ביצועי הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) טובים וריצוד נמוך. המפרט שלהם הוא עבור ריצוד פאזה rms‏ של < 1.0 פיקו-שנייה (ps‏) וריצוד פרק-זמן של ps‏ 7.0, מקסימום.

מתנדי SPXO‏ מעניקים גם יציבות תדר טובה על-פני מלוא תחום טמפרטורות הפעולה שלהם (איור 5‏). ביישומים רבים ניתן להשתמש במתנדים אלה כפתרונות Drop-In‏, הדורשים מעט עבודת תכנון. הם גם חוסכים את הצורך בבחירת מתנד עם ממתח ספציפי ומסירים שינויי תדר תלויי-ממתח.

איור 5‏: למתנדי SPXO‏ יש יציבות תדר טובה על-פני מלוא תחום טמפרטורות הפעולה. גרף זה עבור משפחת ASEDV הוא טיפוסי. (מקור התמונה: Abracon)

לבסוף, כאשר זעזועים ורעידות אינם שיקולים קריטיים, ניתן להשתמש במתנדי גביש ASADV, ASDVD ו- ASEDV כדי לספק חלופות בעלות נמוכה יותר למתנדי מערכות אלקטרו-מכניות זעירות (MEMS).

סיכום

מתכננים זקוקים למתנדים מדויקים ואמינים כדי לספק תזמון יציב במגוון רחב של יישומים וטמפרטורות הפעלה. מתנדים מבוקרי-גביש בדידים יכולים לעמוד במאפייני הביצועים הנדרשים, אך תכנון יעיל עם גבישים יכול להיות קשה מבחינה טכנית, לגזול זמן רב, להיות יקר יותר ולא-אופטימלי ביחס לגורם הצורה.

כפי שהוצג, המתכננים יכולים במקום זאת להשתמש במתנדי SPXO משולבים בהספק נמוך היוצרים פיתרונות תזמון Drop-In‏ עם יציבות תדר טובה בתחום טמפרטורות פעולה רחב. באמצעות מתנדי SPXO‏, המתכננים יכולים להקטין את מספר הרכיבים, להפחית את גודל הפתרון, להוריד את עלויות ההרכבה ולשפר את האמינות.

קריאה מומלצת

כיצד לבחור וליישם מתנד ביעילות