המדריך למתכנן לבחירת גביש KHz‏

מוצרי תזמון נמצאים כמעט בכל מקום והיבט של החברה המודרנית. מדידת זמן במדויק דורשת התקן כמו גביש קוורץ המתנדנד בתדר מדויק ומעגל משולב (IC) כדי לבקר אותו. מודול שעון ארוז כולל בדרך כלל גם את הגביש וגם את המעגל המשולב (IC) לבקרה. מעגלי מתנד אלקטרוניים מיוצרים עבור תדרים מקילוהרץ (kHz) עד מגה-הרץ (MHz).

גבישי kHz ניתנים למכירה כיחידות עצמאיות או עבור שילוב במוצרים אחרים כגון מתנדי גביש (CXOs‏), מתנדי גביש דיגיטליים מקוזזי-טמפרטורה (DTCXOs‏) ושעוני זמן-אמת (RTC).

הגורמים המכתיבים את בחירת גביש kHz

בעוד שגודל ותדר נדרש הם הגורמים החשובים ביותר שיש לקחת בחשבון בעת בחירת גביש kHz עבור יישום, מספר פרמטרים נוספים חיוניים גם הם עבור תכנון המעגל הנכון.

אלו כוללים:

• טולרנס התדר, יציבות והזדקנות
• קיבוליות העומס (CL‏)
• התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏)
• רמת הדחיפה (DL‏)
• טמפרטורת עבודה

גבישי kHz מגיעים בדרך כלל עם דרישות מעגל משולב ספציפי-ליישום (ASIC) המפרטות את ערכי הפרמטרים הנדרשים. פרטי ה-ASIC יכולים לספק נקודת התחלה איתנה עבור תכנון המעגל. המגמה של מזעור מעגלים אלקטרוניים פירושה שהמתכננים צריכים לשים לב במיוחד לגורמים המפורטים לעיל, מכיוון שגודל הרכיבים וצפיפות המארז יכולים להשפיע על תכונותיהם וביצועיהם של הגבישים. עם זאת, תהליכי ייצור פוטוליתוגרפיים מבטיחים כי מזעור מעגלי מתנד גביש אינו משפיע על הפרמטרים הדרושים עבור פעולה יעילה.

טולרנס התדר, יציבות והזדקנות

בעוד שגביש מציין תדר מסוים, סטיות יכולות להתרחש עקב עומסים הנגרמים במהלך תהליך הייצור או על משטחים במהלך פעולה שגרתית. את השינויים בערכי התדר שצוינו ניתן לסכם על ידי הערכת שלושה פרמטרים: טולרנס התדר, יציבות התדר וההזדקנות.

טולרנס התדר מוגדר כהפרש בין התדר בפועל של הגביש לבין התדר הנומינלי שלו ב-C‏°‏25‏. יציבות התדר היא שינוי התדר המקסימלי הנגרם עקב הטמפרטורה ויכול להתרחש על פני תחום טמפרטורות מוגדר. כדי לקבל דיוק רב יותר מגביש, מומלץ להשתמש ב-XO‏ kHz‏, המתחשב בשינויי תדר עם הטמפרטורה (איור 1) ומכויל בהתאם. לבסוף, ההזדקנות היא הסחיפה בתדר לאורך הזמן. איטום הרמטי מפחית את השפעות ההזדקנות אך עשוי להגדיל את הגודל.

איור 1: תדר המתנד משתנה עם הטמפרטורה ויש לקחת זאת בחשבון בתהליך הבחירה, במיוחד כאשר היישום משמש בסביבות קיצוניות. (מקור התמונה: Epson דרך IEEE)

קיבוליות העומס (CL‏)

הקיבוליות בין שני הדקי הגביש היא קיבוליות העומס שלו. המתכננים צריכים לקחת בחשבון קיבוליות תועה חיצונית, אשר יכולה לגרום לסחיפת תדר.

תשומת הלב לאי-תאימות בין ה-CL לבין קיבוליות המעגל הופכת חשובה במיוחד בעת שימוש בגבישים קטנים יותר פיזית, הרגישים יותר לשינויים בקיבוליות. גבישים בעלי CL נמוך הם גם רגישים במיוחד לתדר. כדי לתכנן מעגלים קטנים יותר עבור חללים צרים, מהנדסי התכנון בוחרים בדרך כלל גבישים עם CL גדול.

רמת הדחיפה (DL‏)

DL הוא כמות הזרם הנדרשת כדי לשמור על תנודה קבועה תוך שמירה על מינימום נזק מבני. מומלץ לבחור גביש עם DL העומד או עולה על רמת הדחיפה של מעגל נתון כדי למנוע תדר לא אמין או כשל מוקדם.

טמפרטורת עבודה

הטמפרטורה משפיעה על התדר מעבר למה שניתן לציין במספרי יציבות התדר. בעוד שהמתכננים צריכים לזכור את טמפרטורת הפעולה הכוללת של המעגל, עליהם לקחת בחשבון גם את מיקום הגביש במעגל, מכיוון שאזורים מסוימים עשויים להיות נוטים יותר להתחמם מאחרים. בנוסף, ככל שהמעגל והגביש קטנים יותר, כך הרכיבים צפופים יותר זה מזה והמערכת כולה מייצרת יותר חום. במקרים כאלה עדיף להשתמש בגביש המכויל טוב יותר עבור תחום טמפרטורות, כמו מוצרי DTCXO או RTC. מודולי DTCXO ו-RTC פועלים היטב בתכנים קומפקטיים, או במקרים בהם יציבות גבוהה או צריכת הספק נמוכה הן בעלות עדיפות.

גבישי kHz‏ ומודולים קשורים

Epson‏ מייצרת מספר רב של גבישי kHz וכן מודולי DTCXO ו-RTC. כמה מהם מפורטים להלן יחד עם המפרטים שלהם.

סדרת FC3215AN‏ היא של גבישי kHz‏ 32.768‏ עם ESR נמוך של kΩ‏ 35‏ במארז קומפקטי, המתאים היטב עבור אלקטרוניקה ניידת ויישומים מוגבלי-מקום. סדרת FC3215AN היא אידיאלית עבור מגוון של יישומים, כגון מודולי אלחוט, IoT, ציוד רפואי, תעשייתי, ציוד מעקב ואבטחה, מונים חכמים, מוצרי אלקטרוניקה לצרכנים ויישומי MCU בהספק נמוך. הם תומכים בתחום טמפרטורות פעולה מורחב של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+ וזמינים במארז של 3.2 מ"מ x‏ 1.5 מ"מ x‏ 0.9 מ"מ עם מערכי פינים סטנדרטיים.

גבישי kHz‏ 32.768‏ של סדרת FC2012AN‏ הם בעלי מפרטים דומים לאלו של סדרת FC3215AN והם זמינים במארז קטן יותר של 2.05 מ"מ x‏ 1.2 מ"מ x‏ 0.6 מ"מ עם מערכי פינים סטנדרטיים. בדומה, גבישי סדרת FC2012SN‏ (איור 2) הם אידיאליים עבור מגוון של יישומים, כגון התקנים לבישים, מיקרו-בקרים ומודולי אלחוט עבור IoT, רפואה, תעשייה, אבטחה, מונים חכמים ועוד.

איור 2: סדרת FC2012SN של Epson‏ היא בעלת תחטם טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+ במארז קומפקטי של 2.05 מ"מ x‏ x 1.2 מ"מ. (מקור התמונה: Epson)

שעוני זמן-אמת The RX8901CE ו- RX4901CE‏ של Epson הם מודולים וורסאטיליים ומדויקים ביותר עם צריכת הספק נמוכה שהם אידיאליים עבור מונים חכמים, ציוד אבטחה ויישומי תאורה חכמה. המערכת המשולבת עם עד שלוש כניסות אירועים יכולה לשמש לגילוי אירועים ורישום חותמת הזמן שלהם בזמן שה-MCU נשאר באופן שינה, ובכך להפחית את צריכת ההספק של המערכת ולהאריך את חיי הסוללה. המודולים יכולים להקליט חותמות זמן של 32 אירועים באופן FIFO או באופן ישיר. הם צורכים nA‏ 240‏ בלבד מהספקת-כוח של V‏ 3‏ וכוללים מעגל ספק כוח מובנה החסוך את הצורך בדיודות חיצוניות עם ההפסדים שלהן. המודולים מציעים רזולוציית זמן עד ל-1/1024 שנייה והם יציבים בכל תחום טמפרטורות הפעולה שלהם של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+. ל-RX8901CE‏ יש ממשק I²C, בעוד שה-RX4901CE‏ זמין עם SPI של 3 או 4 חוטים.

ממירי RTC סדרת RX8804‏ (איור 3) משתמשים בטכנולוגיית DTCXO כדי להשיג דיוק של ppm‏ ±3.4 או ppm‏ ±8 בתחומים של C‏°‏40‏- עד 85°C‏+ או C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+, בהתאמה.

איור 3: מעגלי RTC בהספק נמוך סדרת RX8804 של Epson‏ הם בעלי דיוק גבוה בתחום טמפרטורות רחב. (מקור התמונה: Epson)

לסדרת RX8804 יש הספק נמוך ביותר של µA‏ 0.35‏ טיפוסי, היא זמינה במארז קרמי להרכבה משטחית של 3.2 מ"מ x‏ 2.5 מ"מ x‏ 1.0 מ"מ וכוללת גביש מובנה.

לבסוף, ה-DTCXO‏ kHz‏ 32.768‏ TG-3541CE‏ של Epson‏ הוא ייחוס תדר מדויק המתאים עבור יישומים תעשייתיים וצרכניים, כולל IoT‏, התקנים לבישים, ניידים, חיישנים, GPS/GNSS‏, מדי צריכה והתקני בריאות וכושר גופני. במיוחד עבור יישומי IoT, דיוק הזמן הגבוה של ה-TG-3541CE מאפשר להתקנים להיות באופן שינה זמן רב יותר ולהתעורר בתדירות נמוכה יותר כדי להאריך את חיי הסוללה. בנוסף, ה-DTCXO העצמאי יכול לשפר משמעותית את תזמון המיקרו-בקר או ה-RTC ללא כל שינויי תוכנה, ובכך לחסוך זמן ומשאבים למתכננים. ה-TG-3541CE הוא בהספק נמוך, צורך רק µA‏ 1.0‏, וזמין במארז קרמי להרכבה משטחית של 3.2 מ"מ x‏ 2.5 מ"מ x‏ 1.0 מ"מ.

סיכום

גבישים, מתנדים, RTCs ו-DTCXOs הם רכיבים חיוניים ביישומי בקרת תדר. בין אם מדובר במודולי אלחוט, מוצרי IoT, התקנים רפואיים אישיים או ציוד תעשייתי, היצע המוצרים של Epson‏ יכול לספק פתרון שיענה על דרישות ספציפיות ליישום.