תזמון מעגלים הוא פונקציה קריטית הנדרשת למכשירים אלקטרוניים רבים, כולל מיקרו-בקרים, USB, Ethernet, ממשקי Wi-Fi ו-Bluetooth, כמו גם התקני מחשוב וציוד היקפי, מכשירים רפואיים, ציוד בדיקה ומדידה, בקרה ואוטומציה תעשייתית, האינטרנט של הדברים (IoT), מכשירים לבישים ואלקטרוניקה צריכה. בעוד שתכנון מתנד מבוקר גביש- כדי לספק תזמון מערכת עשוי להיראות פשוט בתחילה, מתכננים חייבים לשקול פרמטרים ודרישות עיצוב רבות בעת התאמת גביש הקוורץ ל-IC של המתנד.
ישנם מספר גורמים שיש לקחת בחשבון, כולל עכבת תנועת גביש, מצב תהודה, כוח הנעה והתנגדות שלילית של מתנד. במונחים של פריסת מעגלים, מתכננים חייבים לקחת בחשבון את הקיבול הטפילי של PCB, להוסיף פס הגנה סביב הגביש ולשלב-קבלים בשבב. העיצוב הסופי חייב להיות קומפקטי ואמין, עם הכי פחות רכיבים, ריצוד נמוך של RMS (Root mean square) וצריכת חשמל מינימלית על פני טווח מתח כניסה רחב.
מתנד קריסטל ארוז פשוט (SPXO) הוא פתרון אחד. מתנדי מתח רציפים אלו מותאמים לצריכת חשמל נמוכה וריצוד RMS נמוך ויכולים לפעול בכל מתח בין 1.60 וולט ל-3.60 וולט, מה שמאפשר למעצבים להשיג פתרון שניתן לשלב במערכת במינימום מאמץ עיצובי.
מאמר זה ידון בקצרה בכמה מדרישות הביצועים החשובות שיש לעמוד בהן ובאתגרי התכנון שיש להתגבר עליהם בעת תכנון מעגלי תזמון באמצעות גבישי קוורץ נפרדים ו-ICs לתזמון. לאחר מכן, הוא יציג את פתרונות ה-SPXO של Abracon ויסביר כיצד מעצבים יכולים להשתמש במכשירים אלה כדי לעמוד ביעילות בדרישות התזמון של מערכות אלקטרוניות.
אתגרי תפעול ועיצוב מתנד קריסטל
צריכת חשמל היא שיקול קריטי למכשירים אלחוטיים-קטנים בסוללה. מכשירים רבים כאלה מבוססים על מכשירי רדיו ומעבדים-נמוכים-על-על-שבב (SoC) במיוחד שיכולים לתמוך בחיי סוללה לאורך מספר שנים. בנוסף, מכיוון שהסוללה היא לרוב הרכיב היקר ביותר במערכת, מזעור גודלה הוא חיוני לשליטה בעלויות המכשיר. עם זאת, זרם המתנה הוא לרוב השיקול הקריטי ביותר בחיי הסוללה במערכות אלחוטיות קטנות, וזרם המתנה נשלט לרוב על ידי מתנד השעון. לכן, חיוני למזער את צריכת הזרם של המתנד.
למרבה הצער, תכנון מתנד-נמוך יכול להיות מאתגר. שיטה אחת לחיסכון באנרגיה היא למזער את זרם המתנה על ידי כניסה למצב "מושבת" והפעלת המתנד בעת הצורך. עם זאת, דרישת מתנד קריסטל להתחיל במהירות ובאמינות היא משימה לא פשוטה. על המעצבים להבטיח שהמתנד יישאר במצב-נמוך בזמן המתנה ובעל מאפייני הפעלה אמינים בכל תנאי ההפעלה והסביבה.
תצורת מתנד Pierce נמצאת בדרך כלל במכשירי SoC אלחוטיים-נמוכים (איור 1). מתנד פירס בנוי באמצעות גביש (X) וקבלי עומס (C1 ו-C2), מוקפים במגבר הפוך עם נגד משוב פנימי. בתנאים מתאימים, כאשר הפלט של המגבר מוזן בחזרה לכניסה, נוצרת התנגדות שלילית, המובילה לתנודה.
איור 1: תצורה בסיסית של מתנד Pierce הבנויה סביב גביש (X) וקבלי עומס C1 ו-C2.
מבנה הגביש מורכב; הדיון הזה מכסה רק את השכבה העליונה ואת המבנה הפשוט של גבישים הפועלים במתנדים.
ניתן להשתמש ב--לולאה סגורה שולי רווח Gm בתור נתון של זכות (FOM) כדי לתאר את המהימנות של מתנד ביחס לאובדים שונים. שולי רווח בלולאה סגורה- מכונה גם מרווח תנודה (OA). ערך OA מתחת ל-5 עלול להוביל לבעיות הפעלה נמוכות של תפוקת ייצור וטמפרטורה-. עיצובים עם ערך OA של 20 ומעלה הם חזקים ועמידים, פועלים בצורה מהימנה בטווח טמפרטורת ההפעלה של התכנון, ומפגינים השפעה מינימלית מקבוצות ייצור שונות על מאפייני ביצועי הגביש וה-SoC.
כדי למדוד את ה-OA של המתנד, ניתן להוסיף למעגל נגד משתנה Ra (איור 2). הגדל את ערך Ra עד שהמתנד לא יצליח להתניע. זוהי השיטה המשמשת לקביעת ערך OA, כפי שמוצג להלן:
משוואה 1
אֵיפֹה:
Rn הוא ההתנגדות השלילית
Re היא התנגדות הסדרה המקבילה (ESR).
משוואה 2
משוואה 3
כאשר קיבול העומס CL מחושב באופן הבא:
משוואה 4
כאשר Cs הוא הקבל המשתנה של המעגל, עם ערך קיבול בדרך כלל בין 3.0 ל-5.0 pF.
איור 2: מציג את דגם הגביש המורחב (קופסה אמצעית) ואת הנגד המתכוונן (Ra) המשמש למדידת שולי התנודה.
OA תלוי ב-ESR (Re), ו-ESR תלוי בפרמטרי גביש הקוורץ Rm וקיבול העומס CL. עבור מתנדים -נמוכים, כגון אלו המשמשים במכשירים אלחוטיים-נמוכים, ההשפעה של Rm ו-CL על OA גוברת. מדידת OA גוזלת זמן- ועשויה להאריך את תהליך הפיתוח. לכן, משימה זו עלולה להיות מוזנחת, מה שיוביל לבעיות ביצועים כאשר המערכת או המכשיר יוכנסו לייצור.
בנוסף, הגדרת OA גבוה כדי להבטיח פעולת מתנד אמינה עלולה לגרום לבעיות אחרות. לדוגמה, בעוד ש-OA גבוה יותר משפר את ביצועי מעגל המתנד, הוא עלול להתעלם מאיבודי הספק הנגרמים מהגביש. הפסדים כאלה יכולים להיות גורם משמעותי. בהתייחס לאיור 2, התנגדות התנועה של הגביש Rm גורמת לפיזור הספק כאשר זרם זורם מעת לעת דרך הנגד. כאשר CL גדול, הוא מגדיל הן את הזרם והן את ההפסדים. לכן, מעצבים צריכים לאזן בין אובדן כוח גביש לערך OA סביר.
הימנעות ריצוד
בעת תכנון מתנד קריסטל קוורץ, חשוב להבין ולהפחית ריצוד. לרטט יש שני סוגים, הנמדדים בדרך כלל על ידי ערך ממוצע הריבוע של השורש (RMS):
ריצוד תקופה: ידוע גם בשם ריצוד פאזה, זה מתייחס להפרש הזמן המקסימלי בין מספר תקופות תנודות נמדדות, הנמדדות בדרך כלל על פני 10 תקופות לפחות.
ריצוד מחזורי: זוהי הווריאציה המקסימלית בקצה שעון, הנמדדת עבור כל מחזור ולא עבור מחזורים מרובים.
המקורות העיקריים של ריצוד במתנדים של גבישי קוורץ כוללים רעשי אספקת חשמל, הרמוניות שלמות של תדר האות, תנאי טעינה וסיום לא תקינים, רעש מגבר ותצורות מעגלים מסוימות. בהתאם למקור, ניתן להשתמש בשיטות שונות כדי למזער ריצוד.
השתמש בקבלים עוקפים, במשרני שבבים או במסנני קבלים-לנגדים (RC) כדי לשלוט על רעשי אספקת החשמל.
ביישומים קריטיים הדורשים ריצוד נמוך במיוחד, ביסוס שיטה לשלוט הרמוניות הוא חיוני (מעבר לתחום של מאמר זה).
הפחת את ההספק המשתקף בחזרה לפלט על ידי אופטימיזציה של תנאי העומס והסיום.
הימנע מעיצובים הכוללים לולאות נעולות-שלב, מכפילים או פונקציות הניתנות לתכנות, מכיוון שלעתים קרובות הם מגבירים ריצוד.
מתנד קריסטל מתח רציף
שימוש ב-ASADV, ASDDV ו-ASEDV SPXOs של Abracon הוא יתרון לתכנון מערכות שבהן מתח ההטיה משתנה בין 1.60 ל-3.60 V (איור 3). סדרת SPXO מכסה טווחי תדרים שונים; התקני ASADV פועלים בתדרים מ-1.25 מגה-הרץ עד 100 מגה-הרץ, בעוד שהתקני ASDDV ו-ASEDV פועלים מ-1 מגה-הרץ עד 160 מגה-הרץ. הסדרה עומדת בתקני RoHS/RoHS II ומשתמשת באריזה אטומה של משטח קרמי-(SMD). בטווח טמפרטורת ההפעלה של -40 מעלות עד +85 מעלות, הסדרה משיגה יציבות תדר של ±25 ppm.
OA תלוי ב-ESR (Re), ו-ESR תלוי בפרמטרי גביש הקוורץ Rm וקיבול העומס CL. עבור מתנדים -נמוכים, כגון אלו המשמשים במכשירים אלחוטיים-נמוכים, ההשפעה של Rm ו-CL על OA גוברת. מדידת OA גוזלת זמן- ועשויה להאריך את תהליך הפיתוח. לכן, משימה זו עלולה להיות מוזנחת, מה שיוביל לבעיות ביצועים כאשר המערכת או המכשיר יוכנסו לייצור.
בנוסף, הגדרת OA גבוה כדי להבטיח פעולת מתנד אמינה עלולה לגרום לבעיות אחרות. לדוגמה, בעוד ש-OA גבוה יותר משפר את ביצועי מעגל המתנד, הוא עלול להתעלם מאיבודי הספק הנגרמים מהגביש. הפסדים כאלה יכולים להיות גורם משמעותי. בהתייחס לאיור 2, התנגדות התנועה של הגביש Rm גורמת לפיזור הספק כאשר זרם זורם מעת לעת דרך הנגד. כאשר CL גדול, הוא מגדיל הן את הזרם והן את ההפסדים. לכן, מעצבים צריכים לאזן בין אובדן כוח גביש לערך OA סביר.
הימנעות ריצוד
בעת תכנון מתנד קריסטל קוורץ, חשוב להבין ולהפחית ריצוד. לריצוד יש שני סוגים, הנמדדים בדרך כלל על ידי ערך ממוצע הריבוע של השורש (RMS):
ריצוד תקופה: ידוע גם בשם ריצוד פאזה, זה מתייחס להפרש הזמן המקסימלי בין מספר תקופות תנודות נמדדות, הנמדדות בדרך כלל על פני 10 תקופות לפחות.
ריצוד מחזורי: זוהי הווריאציה המקסימלית בקצה שעון, הנמדדת עבור כל מחזור ולא עבור מחזורים מרובים.
המקורות העיקריים של ריצוד במתנדים של גבישי קוורץ כוללים רעשי אספקת חשמל, הרמוניות שלמות של תדר האות, תנאי טעינה וסיום לא תקינים, רעש מגבר ותצורות מעגלים מסוימות. בהתאם למקור, ניתן להשתמש בשיטות שונות כדי למזער ריצוד.
השתמש בקבלים עוקפים, במשרני שבבים או במסנני קבלים-נגדים (RC) כדי לשלוט על רעשי אספקת החשמל.
ביישומים קריטיים הדורשים ריצוד נמוך במיוחד, ביסוס שיטה לשלוט הרמוניות הוא חיוני (מעבר לתחום של מאמר זה).
הפחת את ההספק המשתקף בחזרה לפלט על ידי אופטימיזציה של תנאי העומס והסיום.
הימנע מעיצובים הכוללים לולאות נעולות-שלב, מכפילים או פונקציות הניתנות לתכנות, מכיוון שלעתים קרובות הם מגבירים ריצוד.
תַקצִיר
מעצבים דורשים מתנדים מדויקים ואמינים כדי לספק תזמון יציב על פני מגוון רחב של יישומים וטמפרטורות פעולה. מתנדים מבוקרים של גבישים-בדידים יכולים לעמוד במאפייני הביצועים הנדרשים, אבל זה מאתגר מבחינה טכנית לעצב ביעילות באמצעות גבישים, דבר שגוזל זמן-וגורם בעלויות מיותרות. בנוסף, הם אינם הבחירה האופטימלית מבחינת גורם צורה.
כפי שמוצג באיור, מעצבים יכולים להשתמש במכשירי SPXO משולבים-נמוכים. SPXOs אלו מהווים פתרון תזמון-מוכן-לשימוש, ומשיג יציבות תדר מעולה על פני טווח טמפרטורות עבודה רחב מאוד. באמצעות SPXOs, מעצבים יכולים להפחית את מספר הרכיבים, למזער את גודל הפתרון, להוזיל את עלויות ההרכבה ולשפר את האמינות.