پیشرفت نوسان سازها در راستای پاسخ به نیازهای روز تکنولوژی

نوسان سازهای ساعت، سیگنال مرجع دقیق زمان‌بندی‌شده‌ای برای کنترل مدار الکترونیکی ارائه می‌کنند که این امر این نوسان سازها را به عضوی مهم برای تجهیزات دیجیتال تبدیل کرده است. اما فضای کاربردی نوسان سازها مدام در حال تغییر است. در طراحی تولیدات قابل‌ حمل و پوشیدنی نیاز به تولید قطعات کوچک‌تر وجود دارد. چرخه‌های طراحی کوتاه‌تر باعث شده نیاز به تولید قطعات با فرکانس‌های بالاتر، سریع‌تر حس شود، و کاربردهای نوظهور مثل 5G خواستار کارآیی بالاتر و دقیق‌تر است، از این‌رو تولیدکنندگان ناچار به پیشرفت نوسان سازها در راستای پاسخ‌گویی به نیازهای بازار و تکنولوژی هستند.

بااینکه تولیدات بر پایه فناوری سامانه میکرو‌الکترومکانیکی (MEMS) پیشنهاد جایگزین‌هایی در برخی از کاربردها را می‌دهند، سازندگان نوسان سازهای کریستال کوارتز با مجموعه‌ای از طراحی‌های نو، در حال پاسخ دادن به این نیازهای جدید هستند.

مفاهیم پایه کریستال‌ها و نوسان ساز های کوارتز

شکل (2a) مدار الکتریکی معادل کریستال شامل خازن موازی با ترکیب سری RLC را نشان می‌دهد. در این شکل R_s، C_s و L_S سهم پیزوالکتریک و C_p خازن موازی بین الکترودها را مدل می‌کند. مقدار L_s وابسته به جرم کریستال است و R_S تلفات مکانیکی را نشان می‌دهد. فرکانس تشدید سری (f_s) و ضریب کیفیت (Q) به ترتیب با روابط زیر بیان می‌شوند:

شکل (2b) کریستال و مدار راه‌اندازی را نشان می‌دهد که شامل تقویت‌کننده معکوس کننده و شبکه فیدبک خازنی است. مدار کامل، نوسان ساز کریستال Pierce را تشکیل می‌دهد. مدار راه‌انداز را می‌توان با کریستال به‌عنوان قطعه‌ای مجزا بسته‌بندی کرد، یا مطابق شکل (2b) مدار راه‌انداز می‌تواند درون میکروکنترلر قرار گیرد و با کریستالی خارجی استفاده شود.

پکیج‌های کوچک‌تر بر ویژگی‌های کریستال تأثیر می‌گذارد

روند مداوم به سوی بسته‌بندی با اندازه‌های کوچک‌تر در محصولات جدید، روی هر قطعه الکترونیکی اثر می‌گذارد و اجزای پسیو مدار از این تاثیر مستثنی نیستند. با کوچک‌تر شدن پکیج‌ها، نوع آن‌ها از حالت Through hole به سمت SMD با اندازه‌های کوچک‌تر حرکت کرده است. به استثنا حداکثر توان مصرفی و شاید ولتاژ شکست، مشخصات الکتریکی مقاومت، خازن یا سلف با کاهش سایز تغییرات کمی دارند. اما این نوع تغییرات در کریستال کوارتز صدق نمی‌کند.

برای کریستالی با Q و f_s ثابت، مقاومت سری معادل (ESR) یا R_s، با سطح فعال کریستال رابطه عکس دارد. کریستال‌های کوچک‌تر، سطح فعال کمتر و مقدار ESR بزرگ‌تری دارند. در عمل Q در کریستال‌های کوچک‌تر کمتر از Q در کریستال‌های بزرگ‌تر است. همچنین، کاهش Q در افزایش مقدار ESR سهم دارد.

کاهش سایز کریستال از پکیج 1210 (mm 1  2/1) به پکیج 1008 (mm 8/0 .1) به‌طور عادی مقدار R_s را تقریبا 30 درصد افزایش می‌دهد و برای جلوگیری از موضوعاتی مثل عملکرد غیرثابت در راه‌اندازی، طراحی مدار راه‌انداز نیاز به تغییر دارد.

سازندگان در حال تلاش برای طراحی کوچک‌ترین نوسان سازهای خود برای استفاده آسان هستند. برای مثال Kyocera، نوسان سازهای خود را با استفاده از فناوری تحلیل پیزوالکتریک داخلی خود بهینه کرده است. این بهینه‌سازی برای تولید نوسان ساز کوارتز CX1008 است که مشخصات الکتریکی قطعه CX1210 را حفظ می‌کند. این بهینه‌سازی اجازه می‌دهد تا قطعه CX1008 بدون تغییر در طراحی‌های مدار موجود قرار گیرد.

کاربردهای ADAS و IoT به قطعات با دقت بالاتر نیاز دارند

یکپارچه‌کننده‌های سیستم به‌طور دائم درخواست مدارهای نوسان ساز با دقت بالا را دارند: برای مثال، ماهواره‌های سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) با ساعت‌های اتمی مجهز می‌شوند که این ساعت‌ها از نوسان سازهای داخلی برای ارائه اندازه‌گیری زمانی با دقت 20 نانوثانیه استفاده می‌کنند.

سیگنال‌های GNSS در برنامه‌هایی مثل فناوری‌های سامانه‌ پیشرفته همیار راننده (ADAS)، دستگاه‌های اینترنت اشیا، ایستگاه‌های پایه شبکه بی‌سیم و اتصال 5G تلفن همراه استفاده می‌شوند. افزودن این کارکردها به قطعات قابل‌حمل و پوشیدنی موجب درخواست برای نوسان سازهای ساعت می‌شود که عملکرد دقیق و پایدار این قطعات را در بازه دمایی وسیع ارائه دهند.

پایداری فرکانس نوسان ساز کریستالی به چند عامل وابسته است:

1. تحمل اولیه، به‌طور معمول در 25 درجه سانتی‌گراد با باری با ظرفیت خازنی مشخص تعریف می‌شود.
2. تغییر فرکانس نسبت به دما
3. پایداری نسبت به تغییرات در ظرفیت خازنی بار
4. پایداری فرکانسی در طول زمان (فرسودگی) 

تغییرات در پایداری مجموعه‌ای از دلایل را دارد. تغییر در فرکانس تشدید در مقابل دما، تابعی از زاویه قطع کریستال در مقابل ساختار شبکه کوارتز است. تغییرات مرتبط با فرسودگی شاید ناشی از آلودگی(ناخالصی)، دماهای بیش‌ازحد، سیگنال‌های راه‌انداز نامناسب و دیگر عوامل است.

پکیج کریستال نیز روی پایداری تاثیر دارد. با فرآیندها و فناوری‌های معمول هنگامی که واحد کریستالی در ابعاد کوچک‌تری تولید شود، سطوح بالاتری از تغییرات در مشخصات الکتریکی را نشان می‌دهد. Kyocera با استفاده از روش پردازش دقت بالا با نام پلاسما CVM (ماشین تبخیر شیمیایی) هنگام ساخت، این تغییرات را کمینه کرد. این روش از رادیکال‌های خنثی حاصل از پلاسما و واکنش شیمیایی در سطح جسمی استفاده می‌کند و کنترل دقیقی روی شرایط و ضخامت سطح کریستال کوارتز را فراهم می‌کند. فناوری پردازش نیمه‌هادی اختصاصی این شرکت، ابعاد خارجی بسیار دقیق با کمترین تغییرات R_s را برای کارآیی بهینه در اندازه کوچک تضمین می‌کند.

کریستال‌های کوارتز برای کاربردهای دقیق اغلب شامل جبران ساز دمایی می‌شوند. برای مثال، IQD’s IQXT-260-16 یک قطعه با فرکانس MHz 20/19 است که جبران سازی دمایی بر روی آن اعمال شده و این قطعه شامل کریستال و مدار مجتمع کاربرد خاص آنالوگ (ASIC) در بسته‌بندی mm 5/2  2 است. این قطعه ویژگی‌های تحمل فرکانسی ppm 1  و پایداری فرکانس بیشینه ppm 5/0  در بازه دمایی عملیاتی 30- درجه سانتیگراد تا 85+ درجه سانتیگراد را دارد.

توان مصرفی کم کلیدی برای موفقیت در محصولات پوشیدنی

برای کاربردهای قابل‌ حمل، پوشیدنی و اینترنت اشیا (IoT) که وابسته به توان باتری هستند، توان مصرفی کم نیز به اهمیت اندازه کوچک است. مدار راه‌انداز نوسان ساز کریستالی در شکل (2b) باید بهره کافی برای کار در کل بازه دما و ولتاژ عملیاتی را داشته باشد. با توجه به شکل می‌توان گفت مقدار کم C_L (ترکیب CL₁ و CL₂)، جریان مورد نیاز نوسان ساز برای هر مقدار ولتاژ نوسان ساز را کمینه می‌کند. همچنین انتخاب کریستال با ESR کمتر، مصرف جریان را کاهش می‌دهد.

سازندگان کریستال کوارتز در ساخت قطعات دارای ولتاژ پایین و مصرف جریان کم، با این چالش‌ها روبرو می‌شوند. برای مثال، Micro Crystal AG’s CM9VT1A کریستالی با فرکانس kHz 768/32 با خطای فرکانسی ppm 20  است. این میکروکریستال ترکیبی از اندازه کوچک (mm 5/0  1 6/1) و حداکثر توان راه‌اندازی μW 5/0 است. شرکت OM-7604، توان مصرفی معمول nA 300 را همراه با تحمل فرکانس محدود ppm 20  که در شکل (3) نشان داده شده است ارائه می‌دهد.

دستگاه‌های چرخش سریع

همانطور که چرخه‌های توسعه تجهیزات الکترونیکی به طور مداوم کوتاه‌تر می‌شوند، درخواست برای نمونه‌ قطعات جدید با تحویل سریع مدام در حال زیادشدن است. برای مواجه با این درخواست، نوسان سازهای ساعت Kyocera’s Z-Series از ساختار پلتفرم منحصر به فردی استفاده می‌کند که در آن از یک Head با انازه ثابت استفاده می‌شود که شامل کریستال کوارتز، بسته‌بندی سرامیکی و IC راه‌انداز می‌شود و در ابعاد استاندارد مختلف روی بستر اپوکسی شیشه‌ای نصب می‌شود. استفاده از واحد هد مشترک نیاز به طراحی جداگانه IC، پکیج و اجزای کریستال را برای هر ابعاد استاندارد حذف می‌کند و زمان تولید را کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

با اینکه داستان استفاده و تولید کریستال‌ها و نوسان سازهای کوارتز تاریخی طولانی دارد، تولیدکنندگان به‌طور دائم محصولات خودشان را در پاسخ به تقاضاهای جدید بازار مثل بسته‌بندی‌های کوچک‌تر یا کارآیی بالاتر، بهینه می‌کنند.