הבנת הפרמטרים של מתנד גביש כדי למטב את בחירת הרכיבים

מתנדי גביש מבוססי קווארץ הם רכיב הליבה האחראי לדיוק התדר/התזמון והביצועים כמעט בכל המעגלים האלקטרוניים. ככאלה, הם נדרשים להיות מדויקים (Accurate) וחוזרים על עצמם (Precision) לאורך זמן. כמובן, המתנד "המושלם" קיים רק בתיאוריה, ולכן הבעיה של המתכננים היא מהו המתנד המתאים לעמידה במטרות התכן. זו אינה משימה קלה.

לאחר שנקבעו דרישות הביצועים עבור היישום, על המתכננים למצוא את הפיתרון עם האיזון הנכון בין ביצועים, עלות, יציבות, גודל, הספק, מבנה פיזי ויכולות דחיפה עבור המעגלים הקשורים. לשם כך עליהם להבין את עקרונות פעולת המתנד, המאפיינים העיקריים וכיצד הם התפתחו.

מאמר זה יספק סקירה של יסודות מתנד גביש לפני שנבחן היבטים שונים הקשורים למודולי מתנד גביש עם ביצועים עיליים. לאחר מכן, באמצעות התקנים מייצגים מבית .ECS Inc‏, המאמר יסקור בקצרה את יסודות מתנדים אלו לפני שיזהה את הפרמטרים העיקריים והמשניים, ביחד עם כמה ערכים מציאותיים עבור פרמטרים אלו. הוא גם יראה כיצד יחידות שונות מותאמות לצרכים של כמה יישומים אופייניים.

כיצד עובדים מתנדי גביש

מתנדי גביש מספקים פולסי שעון שהם פעימות-הלב עבור מעבדים, תזמון ביטים עבור קישורי נתונים, זמני דגימה עבור המרות נתונים ואת התדר הראשי בטיונרים ובסינתיסייזרים. במונחים פשוטים, אלמנט הקווארץ של מתנד גביש משמש כאלמנט תהודה עם Q גבוה ביותר בתוך רשת המשוב של מעגל מתנד (איור 1). בשל חשיבותם של הגבישים והמתנדים שלהם, הפיזיקה הבסיסית של חומר הקווארץ כמו גם ביצועיו החשמליים והמכניים, ביחד עם מעגלי המתנד השונים, נחקרו ונבדקו באופן נרחב ביותר.

איור 1: תוך ניצול האפקט הפייזואלקטרי, הגביש מתפקד כאלמנט תהודה יציב, מדויק ועם Q-גבוה בחוג המשוב של מעגל מתנד. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏, מותאם)

במשך שנים רבות המשתמשים היו מציינים את תדר הגביש והמאפיינים העיקריים האחרים, ואז מספקים מעגל מתנד נפרד משלהם בעזרת שפופרות ואקום (בהתחלה), לאחר מכן טרנזיסטורים, ולבסוף מעגלים-משולבים (IC). מעגל זה היה בדרך כלל שילוב של ניתוח תכן מדוקדק, כמו גם "אמנות" והחלטות מבוססות-ניסיון, שכן היו דקויות רבות הקשורות זו בזו. המתכנן היה מנסה לאזן בין גורמים אלו כדי להתאים את ביצועי המתנד ל"חיתוך" הגביש ולמאפייניו, כמו גם לעדיפויות היישום.

בימינו, מאמצי תכנון מתנד גביש כאלו של עשו-זאת-בעצמכם (DIY) הם נדירים יחסית מכיוון שלוקח זמן ומאמץ להשיג את התכן הראשוני נכון. ואז יש את המדידות המדויקות של ביצועי המתנד. זה מורכב ודורש מכשור מדויק וכינון מדוקדק. במקום זאת, עבור יישומים רבים, המתכננים יכולים לרכוש מודול זעיר וסגור במלואו הכולל את אלמנט הקווארץ כמו גם את מעגל המתנד ודוחף היציאה שלו. זה כמובן מקטין את מאמץ התכנון ומקצר את הזמן, בעוד המשתמש מקבל יחידה מאופיינת במלואה וגיליון נתונים עם מפרט מובטח.

הערה אודות הטרמינולוגיה: מסיבות היסטוריות ואחרות, מהנדסים משתמשים לעתים קרובות במילה "גביש" כאשר הם מדברים למעשה על מעגל מתנד הגביש כולו. זו בדרך כלל אינה בעיה שכן המשמעות אליה מתכוונים מובנת מתוך ההקשר. עם זאת, לפעמים זה עלול לגרום לבלבול, מכיוון שעדיין ניתן לרכוש גביש כרכיב עצמאי ואז לספק מעגלי מתנד נפרדים. מאמר זה משתמש במילה "מתנד" כדי להתייחס לגביש בנוסף למעגלי המתנד שלו כמודול עצמאי, ולא רק למתנד עצמו.

איפיון מתנדי גביש

כמו עם כל רכיב, הביצועים של מתנד גביש מוגדרים תחילה על ידי מערך של פרמטרים מהרמה-העליונה. בסדר החשיבות הכללי שלהם, אלו הם:

תדר הפעולה: הוא יכול להיות בתחום של עשרות קילו-הרץ (kHz‏) ועד מאות מגה-הרץ (MHz‏). מתנדים עבור תדרים מעל אלו הבסיסיים של מתנד, כגון לתוך תחום הגיגה-הרץ (GHz‏), משתמשים לרוב בחוג נעול-פאזה (PLL‏) כמכפל תדר כדי להמיר-מעלה את התדר הבסיסי.

יציבות התדר: זהו גורם הביצועים השני בחשיבותו עבור מתנדים. הוא מגדיר את סטיית תדר היציאה מהערך המקורי שלו עקב תנאים חיצוניים, ולכן ככל שמספר זה קטן יותר, כך המתנד טוב יותר.

ישנם תנאים חיצוניים רבים המשפיעים על היציבות, וספקים רבים מציינים אותם בנפרד כדי שהמתכננים יוכלו להעריך את השפעתם בפועל בתוך היישומים. בין גורמים אלו ניתן למנות שינויים תלויי-טמפרטורה של התדר הנומינלי לעומת C‏°‏25‏; גורמים אחרים כוללים יציבות לטווח ארוך עקב הזדקנות וכן השפעות הלחמה, שינויים במתח ההספקה ושינויים בעומס היציאה. עבור יחידות עם ביצועים עיליים, הוא מאופיין בדרך כלל בחלקים-למיליון (ppm) או בחלקים-למיליארד (ppb), ביחס לתדר היציאה הנומינלי.

רעש הפאזה וריצוד: אלו הם שני היבטים של אותו מדד כללי לביצועים. רעש הפאזה מאפיין את רעש השעון במרחב התדר, ואילו ריצוד עושה זאת במרחב הזמן (איור 2).

איור 2‏: ריצוד במרחב הזמן ורעש פאזה במרחב התדר הן שני ביטויים חוקיים במידה שווה של אותם הפגמים. התצוגה המועדפת היא פונקציה של היישום. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

בהתאם ליישום, המתכננים יתמקדו בשגיאות בעיקר כהגדרתן במרחב אחד או באחר. רעש פאזה מוגדר בדרך כלל כיחס בין הרעש ברוחב-פס של 1 הרץ (Hz‏) בהיסט תדר מוגדר, _m‏f‏, לבין אמפליטודת אות המתנד בתדר _O‏f‏. רעש פאזה מוריד את הדיוק, הרזולוציה ויחס האות-לרעש (SNR) בסינתיסייזר תדרים (איור 3), בעוד שריצוד גורם לשגיאות תזמון ובכך תורם לקצב שגיאות ביטים (BER‏) בקישורי נתונים.

איור 3‏: רעש הפאזה מפזר את ספקטרום ההספק של המתנד ויש לו השפעה מזיקה על הרזולוציה ועל ה- SNR‏. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

ריצוד התזמון גורם לשגיאות זמן-דגימה בהמרות אנלוגיות/דיגיטליות, ובכך משפיע גם על ה- SNR ועל אנליזת התדר של התמרת פוריה מהירה (Fast Fourier Transform) שלאחריה.

ההתקנים ממשפחת MultiVolt של המתנדים הסטנדרטיים (MV‏) מבית .ECS Inc זמינים עם יציבויות נמוכות של עדppm‏ 20‏±, בעוד שהמתנדים עם היציבות המוקפדת שלהם (SMV‏) מציעים יציבויות של עד ppm‏ 5‏±. לטובת יציבות הדוקה עוד יותר, מתנדי TCXO‏ MultiVolt מציעים ביצועי ppm‏ 2.5‏± עם יציאות HCMOS ו- ppm‏ 0.5‏± עבור יציאות גל סינוס קטום (הן מתנדי TCXO והן גל סינוס קטום מוסברים בהמשך להלן).

ללא תלות באיזה מרחב, רעש פאזה / ריצוד מהווים גורמים חשובים עבור תכנים עם ביצועים עיליים וחייבים להביא אותם בחשבון בתקציב השגיאות תוך התחשבות בצורכי היישום. שימו לב שישנם סוגים רבים של ריצוד, כולל ריצוד אבסולוטי, ריצוד מחזור-למחזור, ריצוד פאזה משולב, ריצוד טווח-ארוך וריצוד מחזורי; עבור רעש פאזה ישנם גם כן תחומי וסוגי אינטגרציה שונים, כולל רעש לבן ורעשים "צבעוניים" שונים.

הבנת הפרטים הן של הריצוד והן של רעש הפאזה במתנד וההשפעה ביישום יכולות לעיתים להוות אתגר. קשה להמיר מפרט ממרחב אחד למשנהו; במקום זאת, על המשתמשים לבדוק את גיליון הנתונים. חשוב גם להבין את ההגדרות הלגיטימיות אך שונות מיצרן ליצרן לצורך מדידת הביצועים תוך חישוב שגיאות אלו בתקציב השגיאות הכולל.

סוג אות הכניסה והדוחף: אלו חייבים להיות מותאמים לעומס המחובר (איור 4). שתי הטופולוגיות של דוחף היציאה הן דיפרנציאלי וקצה-יחיד (Single-Ended).

איור 4‏: פורמטי היציאה השונים הקיימים החייבים להיות תואמים לתצורת עומס המתנד. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

מתנדים עם פורמט יציאה קצה-יחיד קלים יותר למימוש אך יש להם יותר רגישות לרעש והם לרוב מתאימים רק עד כמה מאות מגה-הרץ. סוגי יציאות קצה-יחיד (Single-Ended) הן:

• TTL (לוגיקת טרנזיסטור-לטרנזיסטור): 0.4 עד 2.4 וולט (משמש כיום לעיתים רחוקות)
• CMOS‏ (מוליך-למחצה תחמוצת מתכת משלים): 0.5 עד 4.5 וולט
• HCMOS‏ (CMOS‏ במהירות גבוהה): 0.5 עד 4.5 וולט
• LVCMOS‏ (CMOS‏ במתח נמוך): 0.5 עד 4.5 וולט

קשה יותר לתכנן יציאות דיפרנציאליות אך הן מעניקות ביצועים טובים יותר ביישומים בתדרים גבוהים, מכיוון שכל רעש משותף על הפסים המוליכים מתאפס. זה עוזר לשמור על ביצועי המתנד כפי שנראה על ידי מעגל העומס. סוגי האותות הדיפרנציאליים הם:

• PECL (לוגיקה מוצמדת פולט חיובית): 3.3 עד 4.0 וולט
• LVPECL‏ (PECL במתח נמוך): 1.7 עד 2.4 וולט
• CML (לוגיקת אופן-זרם): 0.4 עד 1.2 וולט ו- 2.6 עד 3.3 וולט
• LVDS (אותות דיפרנציאליים במתח נמוך): 1.0 עד 1.4 וולט
• HCSL (לוגיקת היגוי-זרם במהירות גבוהה): 0.0 עד 0.75 וולט

הבחירה בסוג האות נקבעת על פי סדר העדיפויות של היישום והמעגלים הקשורים.

צורת גל היציאה של המתנד יכולה להיות גל סינוסי קלאסי בתדר-יחיד או גל סינוסי קטום (איור 5). הגל האנלוגי הוא ה"נקי ביותר" והנתון הכי פחות לריצוד / רעש פאזה, לעומת שימוש במעגל משוון להפיכתו לגל ריבועי, מכיוון שבכך מתווסף ריצוד / רעש פאזה הפוגע באיכותו. הגל הסינוסי הקטום יוצר יציאה דמויית גל ריבועי התואם לעומסים דיגיטליים מבלי להקריב ביצועים כלשהם.

איור 5: גל סינוסי קטום הוא בקירוב גל ריבועי תוך הקטנה למינימום של ריצוד או רעש פאזה. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

מתח וזרם הפעולה: שני אלו הופחתו כדי לעמוד בצרכים של היום של מתח נמוך יותר ולעיתים מערכות מוזנות-סוללות. מרבית מתנדי סדרת MultiVolt יכולים לפעול עם מתחי הספקה של 1.8 וולט, 2.5 וולט, 3.0 וולט ו- 3.3 וולט.

גודלי מארז: בדיוק כמו עם מתח וזרם הפעולה, גם מארזי המתנדים נהיו קטנים יותר. בתעשייה יש כמה גדלים סטנדרטיים להתקני קצה-יחיד (Single-Ended) (הזקוקים לארבעה חיבורים בלבד), בעוד שלמתנדים דיפרנציאליים יש שישה מגעים והם משתמשים במארזים גדולים יותר, עם הממדים המפורטים כאן במילימטרים (מ"מ):

1612‏: 1.2 מ"מ ×‏ 1.6 מ"מ

2016‏: 1.6 מ"מ ×‏ 2.0 מ"מ

2520‏: 2.0 מ"מ ×‏ 2.5 מ"מ

3225‏: 2.5 מ"מ ×‏ 3.2 מ"מ

5032‏: 3.2 מ"מ ×‏ 5.0 מ"מ

7050‏: 5.0 מ"מ ×‏ 7.0 מ"מ

זה בעיקר אודות הטמפרטורה

הגורם החיצוני החשוב ביותר המשפיע על ביצועי המתנד הוא הטמפרטורה. אפילו אם הספק הפעולה של המתנד נמוך ולכן ההתחממות-העצמית היא כמעט זניחה, טמפרטורת הסביבה משפיעה על תדר הפעולה מכיוון ששינויים אלה משפיעים על הממדים המכניים ועל המאמצים של גביש הקווארץ. חשוב לבדוק את ביצועי המתנד הנבחר בקצות התחומים הצפויים. תחומים אלו מתוארים בדרך כלל כ-:

• מסחרי, דירוג כלי-רכב 4‏: C‏°‏0 עד 70°C‏+
• מסחרי מורחב: 20°C‏- עד 70°C‏+
• תעשייתי, דירוג כלי-רכב 3‏: 40°C‏- עד 85°C‏+
• תעשייתי מורחב, דירוג כלי-רכב 2‏: 40°C‏- עד 105°C‏+
• דירוג כלי-רכב 1‏: 40°C‏- עד 125°C‏+
• צבאי: 55°C‏- עד 125°C‏+
• דירוג כלי-רכב 0‏: 40°C‏- עד 150°C‏+

עבור מספר תכנים, זה לא רק ביצועי הטמפרטורה המהווים שיקול אלא גם הצורך לעמוד במפרטי אמינות אחרים. ה- ECS-2016MVQ‏, לדוגמה, הוא מתנד זעיר עם יציאת MultiVolt HCMOS להרכבה-משטחית עבור פעולה ב- 1.7 עד 3.6 וולט (איור 6). המארז הקרמי 2016‏ (2.0 מ"מ ×‏ 1.6 מ"מ, ראו לעיל) הוא בגובה של 0.85 מ"מ, הוא מיועד עבור יישומים תעשייתיים קשים יותר והוא בעל הרשאת AEC-Q200‏ (כלי-רכב) עבור דרישות טמפרטורה דירוג 1. הוא זמין עבור תדרים בתחום של MHz‏ 1.5 עד MHz‏ 54 בארבעה דירוגים של יציבות תדר, מ- ppm‏ 20‏± עד ppm‏ 100‏± על פני 40‎°C- עד 85°C+; ריצוד הפאזה הוא נמוך ביותר של 1 פיקו-שנייה (ps‏) בלבד, והוא מודד מ- kHz‏ 12‏ עד MHz‏ 5‏.

איור 6‏: ה- ECS-2016MVQ‏ הוא עבור תדרים בתחום של MHz‏ 1.5 עד MHz‏ 54 בארבעה דירוגים של יציבות תדר, מ- ppm‏ 20‏± עד ppm‏ 100‏±. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

עבור יישומים שבהם הסחיפה מעל תחום הפעולה גבוהה במידה בלתי-מתקבלת, קיימים שני מימושי מתנד מתקדמים: מתנד גביש מקוזז-טמפרטורה (TCXO) ומתנד גביש מבוקר-תנור (OCXO‏). (שימו לב ש- XTAL הוא הציון של גביש בסכמות רבות, ו- "X" משמש כקיצור לכך בראשי התיבות.) ה- TCXO משתמש במעגל אקטיבי כדי לקזז את השינוי בתדר היציאה עקב שינויי טמפרטורה. בניגוד לכך, ב- OCXO, מתנד הגביש נתון בתוך תנור מבודד-תרמית המחומם ונשמר בטמפרטורה קבועה מעל טמפרטורת הסביבה המקסימלית (תנור עם חימום-בלבד אינו יכול לקרר לפחות מטמפרטורת הסביבה).

מתנדי TCXO דורשים מעגלים נוספים בהשוואה למתנד בסיסי אך הם צורכים הרבה פחות הספק מאשר ה- OCXO עם התנור שלו, אשר בדרך כלל דורש מספר וואטים. בנוסף, ה- TCXO גדול רק במעט מיחידה לא-מקוזזת והוא קטן בהרבה לעומת OCXO. ה- TCXO יציג טיפוסית שיפור בסחיפה בין פי 10 לפי 40 מזה של יחידה לא-מקוזזת, בעוד שה- OXCO‏ עשוי להציג ביצועי סחיפה שהם שיפור של פי שני סדרי גודל לעומתו, אך עם קנס משמעותי בגודל ובהספק.

ה- ECS-TXO-32CSMV‏ הוא TCXO להרכבה-משטחית עם גל סינוסי קטום ויכולת MultiVolt (מתחי הספקה של 1.7 עד 3.465 וולט) עבור תדרים שבין MHz‏ 10 ל- MHz‏ 52‏ (איור 7). המארז הקרמי בגודל של ‎3.2 × 2.5 × 1.2‏ מ"מ מתאים-היטב ליישומי ניידים ואלחוט שבהם היציבות היא קריטית. המפרטים העיקריים מציגים את יציבותו הגבוהה ביותר על פני שינוי טמפרטורה, שינוי מתח ההספקה, שינוי העומס והזדקנות ביחד עם דרישת הזרם הצנועה שלו של פחות מ- mA‏ 2‏ (טבלה 1).

איור 7‏: ה- ECS-TXO-32CSMV מבית ECS הוא מתנד גביש עם יציאת גל סינוסי קטום הכולל מעגלי קיזוז פנימיים כדי לשפר בהרבה את ביצועי היציבות. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

טבלה 1: המפרט של ה- TXCO‏ מקוזז-טמפרטורה ECS-TXO-32CSMV‏ מראה כיצד הקיזוז הפנימי משפר את יציבות הביצועים למרות מערך ההפרעות החיצוניות. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

פעולה בהספק נמוך: לעיתים קרובות בעדיפות גבוהה

למרות המגמות לעבר שעוני מעבדים בתדרים וקצבי נתונים גבוהים יותר, עדיין קיים צורך רב במתנדי גביש בתדר נמוך יותר עבור תזמון ביישומי הספק נמוך ביותר. לדוגמה, ה- ECS-327MVATX‏ הוא מתנד זעיר להרכבה-משטחית הפועל בתדר קבוע של kHz‏ 32.768‏ עם יכולת MultiVolt‏ (1.6 עד 3.6 וולט). עם דרישת הזרם שלו של 200 מיקרו-אמפר (µA‏) בלבד ויציאת CMOS‏ קצה-יחיד (Single-Ended), הוא מתאים היטב עבור יישומי שעון זמן-אמת (RTC), הספק נמוך/התקנים ניידים, תעשייה ואינטרנט של דברים (IoT). הוא מוצע בגודלי מארז של 2016‏ ו- 7050‏, עם יציבות תדר הדוקה של ppm‏ 20‏± עד למתירנית יותר של ppm‏ 100‏± על פני תחום הטמפרטורות של 40‎°C- עד 85°C+, בהתאם לדגם.

כדי להקטין למינימום את צריכת ההספק הממוצעת, מתנדים רבים גם מציעים פונקציית אפשור/השבתה. לדוגמה, ה- ECS-5032MV‏ הוא מתנד MHz‏ 125‏ להרכבה-משטחית עם יכולת פעולה MultiVolt‏ 1.6 עד 3.6 וולט ויציאת CMOS, המוצע במארז קרמי 5032‏ (איור 8).

איור 8‏: ה- ECS-5032MV מבית הוא מתנד MHz‏ 125‏ להרכבה-משטחית עם פונקציית אפשור/השבתה היכולה לעזור לחסוך הספק. (מקור התמונה: ECS Inc. International‏)

אחד מארבעת המגעים שלו מאפשר להעביר את המתנד לאופן-המתנה, המפחית את הזרם הנדרש מהערך הפעיל של mA‏ 35‏ לזרם אופן-המתנה של 10מיקרו-אמפר (µA) בלבד. זמן האתחול הוא 5 מילי-שניות (ms‏) לאחר אפשור-מחדש של היחידה.

ההתאמה למפרט היישום

ההחלטה על מתנד גביש מתאים עבור היישום היא כצפוי איזון בין המפרט, העדיפויות, העלות ומשקלם היחסי. זה יותר מאשר השיקול הברור מאליו של בחירת יחידה עם הדרישות של תדר נומינלי, יציבות התדר, ריצוד/רעש פאזה ותכונות אחרות כמתנד עצמאי. על המשתמשים גם לוודא שדוחף היציאה של המתנד תואם לעומס ולמערכת הקשורים כך שהזיווג לא יפגע בביצועים. אמנם ישנם שיקולים רבים כאלה, אך ישנן כמה הנחיות כלליות:

• יציאת LVDS דורשת נגד אחד בלבד במקלט, ואילו יציאת LVPECL דורשת סיומות הן במשדר והן במקלט.
• ל- LVDS, LVPECL ו- HCSL יש מעברים מהירים יותר מאשר CMOS אך הם ידרשו יותר הספק והם מתאימים ביותר עבור תכני תדר-גבוה.
• עבור צריכת ההספק הנמוכה ביותר מעל MHz‏ 150‏, ה- CMOS‏ ו- LVDS‏ הן הבחירות הטובות ביותר.
• ה- LVPECL, LVDS ואז CMOS מציעים את ביצועי הריצוד הטובים ביותר בתדרים נמוכים יותר.

סיכום

מתנד גביש קווארץ הוא בלב מעגלים ומערכות רבים. כדי לוודא שביצועי פונקציה זו תואמים את דרישות היישום, נדרש איזון מדוקדק בין הפרמטרים העיקריים, החל מדיוק התדר הנומינלי, יציבות לעומת טמפרטורה וגורמים אחרים כגון ריצוד ורעש פאזה. זה גם דורש התאמה של פורמט דוחף היציאה של המתנד למאפייני מעגלי העומס. מתנדי גביש ממשפחות ECS MultiVolt מציעים ביצועים מעולים עם שילובי מפרטים במודולים שלמים וקלים לשימוש.