Crystal Oscillator - ישיבג דנתמ

Transcript

1 Crystal מתנד גבישי- Oscillator מתנד גביש הוא מתנד בעל אותן תכונות האופייניות למתנד. LC הרכיב הקובע את תדירות התנודות ויציבותן הוא גביש. crystal גביש הוא חומר שהאטומים שבו מסודרים בצורה סימטרית בכל נפחו. הגבישים השימושים במתנדים נקראים Piezoelectric Crystals ועשויים בדרך כלל מקווארץ.guartz בהמשך נדבר רק על גבישים מסוג זה. לגביש מבנה בצורה תיבה. הוא נתון בין שתי אלקטרודות משני צדדיו וכל המעגל נמצא בתוך אריזה. הגביש מחובר למעגל המתנד באמצעות שני מוליכים המחוברים לאלקטרודות. מבנה זה מתואר באיור 1: איור 1: תיאור כללי של גביש בעיצוב הסופי של הגביש חותכים אותו במישורים היוצרים זוויות מסוימות עם המבנה האטומי שלו. מישורים אלה נקראים "מישורי חיתוך" והם משפיעים על תכונותיו המיוחדות של הגביש. עקרון הפעולה של הגביש במתנד מוסבר כך: כאשר הגביש מעורר על ידי מתח חיצוני בין האלקטרודות, הוא רוטט ) מתנדנד) מבחינה מכנית בדיוק כמו מטוטלת. תוך כדי הריטוט, הגביש מהווה עכבה חשמלית המחוברת בין האלקטרודות.מעגל שווה ערך שלה נתון באיור 1 ג. היתרון הגדול של מתנד גביש על פני מתנדים אחרים הוא יציבות התדירות שלו. יציבות זאת מוסברת כך: גדלים אלה משתנים L והקיבול של הקבל. C LC נקבעת התדירות על ידי ההשראות של הסליל במתנדי א. שינויים אלה גורמים חוסר יציבות של C 1. עם שינוי טמפרטורה ב- ppm בסדר גדול של כמה עשרות של הגביש הריטוט לעומת זאת, תדירות התנודות שווה בקרוב רב לתדירות במתנד גביש המתנד. תדירות 100 ויותר מזו של יציבות התדירות טובה פי במתנד גביש טיפוסי, תדירות זו יציבה ביותר. על כן, עצמו. LC רגיל. מתנד התנגדויות שאר העכבות במעגל הן : LC מלבד הסלילים והקבלים היוצרים מעגל תהודה שקול, במתנדי ב. הפנימיים של הטרנזיסטור וכן הקיבולים מבחינה מעשית, אין זה כך בגלל הקיבולים טהורות. אוהמיות " ) סוג זה של קיבולים נקרא וההשראויות בין רכיבי המעגל ובין עצמם, או בינם ובין הלוח שעליו הם בנויים קיבולים תועים"

2 stray capacitances גורמים לכך שבתדירויות גבוהות (מאות KHz ומעלה ( מתנד ה- LC לא יתנדנד בדיוק בתדירות התהודה של מעגל התהודה השקול אלא יסטה ממנה במקצת. אפשר להוכיח שסטייה זה קטנה ככל ש- Q (גורם הטיב ( של המעגל גדול יותר. Q מקסימלי שניתן להשגה במעגלי תהודה מעשיים הוא כ מכאן יתרונו של מתנד גביש : Q שמגיע ל ויותר. ננתח את פעולת הגביש בצורה מפורטת לפי המעגל החשמלי שווה הערך שלו ) איור ( 1. קל לחשוב את עכבת הגביש כאשר מזניחים את. R מקבלים היגב reactance) j*x ( שתלותו בתדירות נתונה ע : " 2 2 s Z = j * X = 2 2 ω C0 ω ω p j ω ω כאשר : - תדירות התהודה הטורית של הגביש : ω s ω = 1 s L C - תדירות התהודה המקבילית של הגביש : ω p ω p = 1 C C L C + C 0 0 לפי הביטויים הנ"ל אפשר להראות שמתקיים : ω p ω ω s s = C C 0 כאשר : C C 0 = 0.01 הוא ערך טיפוסי בגבישים.

3 עקום ההיגב של הגביש נתון בקירוב באיור : 2 איור : 2 עקום ההיגב של גביש לפי הגרף שבאיור 2 אפשר לראות שבין תדירויות התהודה > 0 X, פירוש הדבר שההיגב הוא השראתי ומחוץ לתחום זה > 0 X, זאת אומרת שההיגב הוא קיבולי. כפי שרואים, רשת הגביש היא רשת פסיבית,כלומר ההגבר של רשת זו הוא תמיד קטן מ-. 1 תנאים לתנודות על מנת להבין מתי ובאיזה תנאים יכולים להיווצר תנודות יש להבין קודם כל את המבנה העקרוני של מתנד. נוכל להגדיר מתנד אלקטרוני כמעגל ללא כניסה המכיל מגבר ורשת פסיבית. עיקרון הפעולה הוא שאות הנוצר במקום מסוים במעגל יעבור הנחתה סלקטיבית ומגבר המפצה על ההפסדים, כך שבסופו של דבר האות ישחזר את עצמו הן מבחינת הגודל והן מבחינת המופע. כל מתנד הוא מערכת סגורה המורכבת מ- 2 חלקים:. 1 מגבר. 2 רזונטור ) רשת פסיבית ( כפי שמתואר באיור : 3

4 איור : 3 תיאור תרשים מלבנים של מתנד במבט ראשון נראה המעגל בצורה הבאה : כ "יש מאין " מכוון ואין לו שום כניסה. נוכל להסביר את תופעת היווצרות התנודות בזמן הפעלת מתח / מתחי הספקה למעגל נוצרות תופעות מעבר בכל התדרים או פשוט רעש לבן מפולג בצורה אחידה בכל התדרים. הרעש שנוצר עובר דרך מעגל הרזונטור המנחית את האותות בצורה סלקטיבית. פונקציה של תדר אות הכניסה. בנוסף לכך הרזונטור משנה את המופע בהתאם לתדר האות. ההנחתה של הרזונטור היא המגבר A יכול להיות לא הופך מופע, כלומר יוצר זווית 0 º בין מתח הכניסה ומתח היציאה, ואז נדרוש שגם הזזת המופע ברזונטור תהיה גם 0 בתדר התנודות המסומן כ- f 0 המגבר יכול להפוך מופע בזווית, 180 ואז הרזונטור יוצר הפרש מופע של 180 בתדר תנודות f 0. האות נכנס למגבר A המחזיר את ההגבר האות היוצא מן הרזונטור מונחת ומוזז פאזה בהתאם לתדר שלו f 0 שחזר את עצמו לאחר מעבר דרך המעגל.. f 0 בצורה זאת אות בתדר לאות בתדר ש"אבד" במעגל נשאר - האות ייעלם. ולכן לאחר מספר מעברים דרך המעגל אות בתדר שונה נשאר מונחת ומוזז פאזה, רק האות בתדר. f 0 מתוך תיאור המנגנון של מתנד סינוסי ניתן לקבוע 2 קריטריונים ראשיים להיווצרות התנודות : f 0 הגבר החוג הוא 1 עבור אותות בתדר התנודות.1 2. הזזת מופע של המתנד היא. 0 שני הקריטריונים הנ"ל ידועים כתנאי Barkhausen לתודות. אם נחזור לאיור 3 נוכל לסכם את התנאים לתנודות באמפליטודה קבועה : A β = 1 תנאי ההגבר :

5 ( Α β ) = 0 תנאי המופע : כאשר רוצים לבנות מתנד לגל ריבוי, עלינו לדאוג שהיציאות של המגברים ינועו בין רוויה חיובית ורוויה שלילית כלומר נדרוש שהאותות יכנסו לרוויה. על מנת ליצור גלים רוויים עלינו לדרוש שההגבר של החוג יהיה הרבה יותר גדול מ-. 1 אם כך התנאים להיווצרות גל ריבועי הם : Α β >> 1 תנאי ההגבר : < ( A* β ) = 0 תנאי המופע : בחירת רכיבי הגברה רכיבים אתם ניתן להשתמש לבנית המגבר הם : voltage comparators משווי מתח אנלוגיים - קולטי קו - receivers line רכיבים ספרתיים הקולטים בצורה דואלית את האות הספרתי ואת היפוכו ) NOT (, ושילובם מקטין את בעיות הרעשים. TTL CMOS ECL שערים לוגיים ממשפחות : הבחירה של משווה מתח נכונה אך ורק אם רוצים מתנד בתדר נמוך יחסית. ברכיבים רגילים כמו LM 339 או LM 331 התדר מרבי לא יעלה על 200. KHz הפתרון הנפוץ ביותר הוא שימוש בשערים לוגיים. באופן כללי שער TTL אינו בחירה מאוד מוצלחת במתנדים בגלל שאימפדנס הכניסה אינו מאוד גבוהה בנקודות המעבר ממצב לוגי אחד למצב לוגי שני, ועלול לגרום לתנודות פרזיטיות אם המיתוג בין מצב לוגי אחד לשני אינו מתבצע במהירות. רכיבי CMOS הם בעלי התנגדות גבוה, אך הם מוגבלים שלהם. מאוד הן במהירות והן בכושר דחיפה / ספיגת הזרם רכיבי ECL טובים מאוד לשמש כרכיבים במתנד בגלל התנגדות כניסה גבוהה, ואימפדנס יציאה נמוך מאוד. בנוסף הזרמים שיציאה יכולה לספק/לספוג גבוהים יחסית. מכוון וישנה בעיה בניתוח / תכנון של מעגלי מתנדים בהם השערים הלוגיים מופעלים בתחום הליניארי, אין ) עדיין ( דרך " מדעית " לחישוב המרכיבים המתווספים לגביש. הערכים נבחרים לרוב בצורה אמפירית. אי לכך לא נוכל לענות על השאלה איך מתכננים מתנד. TTL הגביש והמיקרו מעבד הגביש הוא מנגנון מכני היוצר אפקט של מעגל חשמלי מסוים. מבחינת מבנהו הפיסי הוא עשוי לרוב מלוחית קוורץ דקה. צורת עיבוד הגביש, מבנהו ובעיקר עוביו קובעים את תכונותיו המכניות והחשמליות (ראה איור 4). את הגביש אפשר לייצר על ידי חיתוך ועיבוד מכני מגביש גדול יותר (לפעמים נמצא בטבע) או על ידי תהליך הנקרא "גידול הגביש" שבו מיצרים גביש במעבדה, ולא אכנס לזה כאן.

6 את הפעולה החשמלית של הגביש אפשר להבין על ידי חקר התופעה הפייזו-אלקטרית, שמופיעה לא רק בקוורץ אלא גם בחמרים נוספים: במלח רושל, בכמה סוגי חמרים קרמיים. לתופעה זו שני מופעים שונים, שרק אם נאחד אותם נוכל להבין את פעולתו: 1. אם נפעיל לחץ מכני במרכז לוח הגביש, נגרום לתנועת אלקטרונים בתוכו ולהצטברות מטען חשמלי בין קצות הגביש. לחץ בכוון הפוך יגרום לתנועת אלקטרונים הפוכה ולמטען הפוך בקטביותו. לחץ בכוונים מתחלפים יגרום להופעת מתח מתחלף בין קצות הגביש. תופעה זו מנוצלת בבנית מצית גז החשמלי במטבח: לחץ מכני שאנחנו מפעילים על גביש גורם להופעת מתח גבוה (יכול להגיע לאלפי וולטים) בין הדקיו ולפריצת ניצוץ ביניהם אם ההדקים קרובים מספיק. ניצוץ כזה יכול להצית את גז הבישול. איור 1 2. אם נחבר מתח חשמלי בין קצות הגביש נקבל תנועה מכנית שלו, הגביש יתכופף סביב המרכז שלו. מתחלף יגרום לתנועת הגביש בכוונים הפוכים, כלומר לגביש "מתנדנד" מכנית. מתח איור 2 גורם תופעה זו מנוצלת היטב בסוג מסוים של אזניות. מספקים לאזניות מתח מתחלף בתדירות שמע וזה מבנה פיסי קטן, לתנודת הגביש וליצירת גלי קול. הנאמנות של אזניות כאלה אינה גבוהה אבל יש להן יתרונות של אלה מתאימות מאד לסביבה רועשת עמידות לטלטולים ולזעזועים וצריכת זרם נמוכה מאד, כלומר נצילות גבוהה. אזניות ובעייתית כמו טנק, למשל.

7 איור 3 מה יקרה אם נאחד את שתי התופעות? ניקח גביש "מתנדנד" כזה, ואת המתחים הנוצרים בין קצותיו נגביר ונמסור אותם, אחרי הגברה, בחזרה אל לוחות הגביש, בקטביות כזו ש"תחזק" את התנודות הנוצרות וחוזר חלילה. אפשר לראות מעגל כזה באיור 9. נקבל "מתנד", מעגל היוצר תנודות בלתי פוסקות בתדירות מסוימת. התדירות תלויה, כמובן, במבנה המכני של הגביש וביכלתו להתנדנד. על כל גביש מסחרי כזה כתוב מהו תדר התנודות היסודי שלו. במקרים מסוימים אפשר ליצור מעגל שיתנדנד בכפולה כלשהי של תדר זה. תופעה מכנית-חשמלית זו מנוצלת היטב בבנית מתנדים מדויקים, במיוחד עבור מיקרו מעבדים, ובבנית מסננים (פילטרים) מדויקים. המיקרו-מעבד מכיל בתוכו את המגבר הדרוש וכל מה שנשאר לעשות זה לחבר את הגביש בין שני הדקים ידועים ברכיב המיקרו. איור 4 לעיתים קרובות יצרן המיקרו מבקש להוסיף על הגביש שני קבלים קטנים, מחוברים בין קצות הגביש לבין ההארקה , pf שתורמים לתחילת התנודות במתנד,

8 מבחינה חשמלית הגביש מתנהג כמעגל תהודה: אפשר לתאר אותו כצירוף של סליל וקבל, שגם מהם אפשר לבנות מעגל כזה. הגביש עדיף לפעמים, משום שהתדר הנוצר יהיה קבוע, תלוי מעט מאד בטמפרטורה ובמשתנים אחרים. לפעמים עדיף מעגל תהודה רגיל ולא גביש, כשצריך לשנות את התדר וכשלא מעונינים בתדר קבוע. כשאמרתי "צירוף של סליל וקבל" לא נכנסתי בכוונה לפירוט, משום שהצירוף יכול להיות לפעמים טורי ולפעמים מקבילי, אפילו באותו גביש. לכל גביש יש תדירות תהודה טורית ותדירות תהודה מקבילית, שאינן בהכרח זהות. בדרך כלל התדירות המצוינת על הגביש היא המקבילית. באיור 5 להלן רואים את ההתנהגות החשמלית של הגביש, את עכבת הגביש בתלות בתדר. צריך לזכור שלכוון מעלה-מטה אין הרבה משמעות, הוא רק מצביע על היותה של העכבה השראותית או קיבולית באופייה. מה שכן צריך לראות בסרטוט זה את ערכה המוחלט של העכבה. איור 5 בנקודה Fs העכבה היא אפס, כלומר: הגביש בתדר זה הוא קצר. זוהי תדירות התהודה הטורית שלו, התדירות בה הוא מתנהג כמעגל תהודה טורי. בנקודה Fa העכבה היא אין-סופית, כלומר: הגביש בתדר זה הוא נתק. זוהי תדירות התהודה מקבילית שלו, התדירות בה הוא מתנהג כמעגל תהודה מקבילי. חיבור הגביש אל המיקרו-מעבד: תמיד צריך לבדוק הוראות היצרן, משום שאיננו יודעים בוודאות את המבנה הפנימי שמסתתר בתוך המעבד. 1. האפשרות הנפוצה יותר היא חיבור הגביש אל שני הדקים ידועים של המעבד (מסומנים בדרך כלל כ- X1-X2 ), בהנחה שכל חלקי המגבר הדרוש כבר נמצאים בתוך המעבד. בדרך כלל היצרן מבקש לחבר קבלים קטנים, 20-30, pf משני קצות הגביש אל ההארקה, כמו שהזכרתי קודם. הדוגמה הבאה, באיור 2, לקוחה מחיבור של : 8051

9 איור 6 עוד דוגמה, איור 7, לקוחה מהמעבד : 6811 איור 7 זה די דומה לקודם, אם נזניח את הנגד. אפשרות אחרת היא שהמתנד הוא חיצוני ולא בנוי במיקרו-מעבד. חלקי המעגל בנויים יחד עם הגביש בקופסת מתכת קטנה ומחוברים בנפרד מהמיקרו (לפעמים אותו מיקרו). במקרה זה יציאת המתנד תחובר אל אחת מכניסות המתנד בלבד, X1 בדרך כלל. החסרון בחיבור כזה הוא מחיר גבוה, והיתרון מתנד בתדר מדויק ויציב יותר. דוגמה לרכיב כזה: הוא.2

10 איור 8 בכדי להבין טוב יותר היכן נמצא הגביש במערך המיקרו-מעבד, כדאי לראות את מעגל המתנד כולו, כולל המגבר הנמצא בתוך המעבד וכולל נגד המשוב וקבלי הערור הנמצאים מחוץ למעבד במקרה זה: בפנים בחוץ איור 9 אם ברצונכם להעמיק יותר במבנה המעגל ובשיקולי תכנון שלו אני ממליץ על חוברת של מוטורולה : הסרטוטים לקוחים מתוך החוברת הזו, אני מקווה שבמוטורולה לא יכעסו עלי. Microcontroller Oscillator Circuit Design Considerations,AN1706D הנכנסת לפירוט רב בהרבה מהמאמר שלי.