מהודי גבישי קוורץ שימשו במשך שנים רבות ייחוס תדר עבור מכשירי רדיו והתקני תקשורת אחרים. כאשר נדרש דיוק יוצא מן הכלל, הגביש הונח בתנור אשר שמר את הגביש בטמפרטורה קבועה. מכאן השם Oven Compensated Crystal (XTAL) Oscillator או OCXO. ה-OCXO משקף את הדיוק הטוב ביותר שניתן להשיג מייחוס תדר מבוסס גביש.
ל-OCXO מספר שיקולים המגבילים את האופן בו ניתן להשתמש בהם בדרישות מערכת רבות:
* דורשים הספק כדי לחמם את התנור, טמפרטורה פנימית בתחום 70oC עד 100oC
* דורשים זמן משמעותי מהדלקה עד הפעלה כדי להגיע לתדר המדויק
* ממדים גדולים, דורשים בידוד סביב האזור הנמצא בתוך התנור
כדי למנוע את מגבלות ה-OCXO, פותח ה-Temperature Compensated Crystal Oscillator או TCXO. במקרה זה, נוספו מעגלים מסביב לאלמנט התהודה של הגביש כדי לתקן או להחזיק את הגביש בתדר יציב כנגד טמפרטורה. יכולות ה-TCXO היו פחות טובות מאשר ה-OCXO אך הם פעלו ברמת הספק הרבה יותר נמוכה ויכלו להיות קטנים יותר בממדים.
הדרישה ל-TCXOs עלתה בהרבה עם התפתחות הטלפון הנייד האישי, Cell Phone, Handy Phone וכד’. בשל דרישות היציבות, ההפעלה מסוללה ואילוצי הממדים, ה-TCXO היווה הפיתרון. איור 1 מראה TCXO טיפוסי משנות ה-1990 המוקדמות, הכמות הגדולה של מעגלים הדרושים לשם קיזוז בולטת בחלקו התחתון של ה-TCXO. סוג זה של TCXO היה מסוגל ל-±2.5 ppm בכל תחום הטמפרטורה הפעיל ודרש לבצע כיוון עדין או התאמה נפרדת לכל גביש בעזרת מעגלים פנימיים.
כדי להקל על ייצור ה-TCXO, פותחו מעגלים משולבים אשר הקלו על תהליך הקיזוז והקטינו את המעגל הנדרש. לדוגמה, בשנות ה-1990 המאוחרות, Philips ו-KVG-Vectron פיתחו שתיהן מעגלים אנלוגיים מיוחדים בעלי נגדים חיצוניים שכוונו בעזרת לייזר כדי לבצע את הקיזוז בעזרת דיודות varactor מובנות לשם שמירה על תדר הגביש.
תכנוני TCXO חדשים התפתחו בשל הדרישה לכמויות גבוהות של TCXOs ובשעה שתהליכי IC אנלוגיים החלו לאפשר הכללת ROMs. אגורים בערכי ה-ROM היו הכיוונים הדרושים כדי שהמעגלים האנלוגיים יספקו את מתחי התיקון למעגל מתנד הגביש. החלו להופיע ROMs מיתכנתים, CMAC (מאוחר יותר Rakon באמצעות רכישה) השתמשה בקישורי נתיכים, Panasonic בקישורי נתיכים, Micro Analog Systems (MAS) השתמשה ב-ePROM, Asahi Kasei Corp. (AKM) השתמשה ב-eePROM, ואחרים. כל אלה פישטו את תהליך הקיזוז, הפיקו TCXOs קטנים יותר וברוב המקרים דרשו פחות הספק.
הייתה גם דרישה גוברת לביצועים טובים יותר מאשר הטלפון הסלולרי ±2.5ppm. הדרישה הציבורית להתקני GPS סיפקה את השוק הגדול ואת הדרישה להגיע ל-±0.5ppm. היה הכרח לשפר את חלק הגביש של ה-TCXO. אירועים התפתחותיים היו:
•פיתוח מהוד פס גביש חתוך AT
•פיתוח מארז נושא שבבים ללא רגליים קרמי (CLCC), בעל ממדים קטנים יותר, הרמטי, בעל נקודות התקנה מבוקרות היטב עבור מהוד גביש הקוורץ
•מלטי הרכבת גביש משופרים
•שינויים בהרכבת הגביש
•שיטות אטימת המארז משופרות
איור 2 מראה מהו השיפור שהושג במהלך 7 שנים.
תעשיית הטלפונים הניידים הוסיפה דרישות חדשות לתעשיית בקרת התדר. עם רצון המשתמש ליתר נתונים, רוחב-הפס הדרוש מחייב שיטות אפנון חדשות, קצבי שגיאת ביט משופרים ורמות אות משופרות. נולד הצורך לחדור לבניינים ברמות אות ללא שגיאות. צרכים אלה ניתן למלא בעזרת אתרי תאים אישיים, אשר רבים קוראים להם FemtoCells, מגדלי תאים מיניאטוריים. זוהי יחידה קטנה הממוקמת במשרד או בבית בעלת כל תכונות הביצועים של מגדל תאים. מכאן הצורך בייחוס תדר פשוט, בעל הספק נמוך אך מסוגל להתחרות בסטנדרט של OCXO או ייחוס אטומי המשמשים במערכות מגדלי תאים. עם תכנונים חכמים אחדים,תוך גישה לאינטרנט, הדבר דורש מתנד שיכול להחזיק ±0.10ppm למשך לפחות 24 שעות בכל תחום טמפרטורות הפעולה. אלה הן דרישות לביצועים שלא נשמעו לפני כן ושוק פוטנציאלי גדול במיוחד.
תוך שיתוף פעולה בין תעשיית ה-IC ותעשיית גבישי הקוורץ, קיימים כיום TCXOs העונים או עוברים על דרישת ה-FemtoCell. חברות כמו AKM, MAS ו-Rakon פיתחו מעגלי IC TCXO בעלי הכוונון עדין והיציבות הדרושים כדי לענות לצרכים אלה. תעשיית הקוורץ הוסיפה לשפר את ביצועי הגבישים המורכבים במארז ה-CLCC. איור 3 מראה את שיפור ביצועי היישון שהושג בהשוואה לגביש במארז קרמי זול המיוצר כיום.
הדיוק המשופר מושג על-ידי:
•העיבוד המכני המדויק של אלמנט המהוד
•חלק הגביש של ה-TCXO נתון במרחב אטום משלו
•אלקטרודת גביש. שימוש ב-כרום-זהב במקום הניקל-כסף הזול יותר
•שיקוע אלקטרודה משופר
•כוונון תדר סופי בעזרת הטחינה היונית של עובי האלקטרודה
•איטום מארז CLCC ללא מאמץ
שיפורים אלה מאפשרים ל-TCXOs הטובים ביותר להציג ביצועים טובים כמו ה-OCXOs בעלי הזיווד הקטן יותר. ל-Pletronics יש ה-OeXO, OCXO equivalent Crystal Oscillator. ל-Pletronics מלאי של 3 גרסאות זיווד. הסדרה הגדולה ביותר, ה-OeM4 אמורה לספק יחידות שוות-ערך לעקבה ולתכונות החשמליות של ה-OCXOs בזיווד DIP/DIL.
ביצועי בקרת התדר החשמלית של סדרת ה-OeXO זהים לסדרת OHM4 DIP/DIL של Pletronics. לסדרת ה-OeXO היתרונות הבאים:
•הספק נמוך במיוחד, פי 34 פחות הספק דרוש ב-20C-
•אין שינוי בנחשול זרם החימום הדרוש
•צורך מוקטן דרמטית בקיבולת הספק למערכת
•ביצועים מלאים כמעט מיידיים בהפעלה לעומת 2 דקות ב-OCXO
•מחזור הספק גע/תוק חוזר הדרוש ביישומי תקשורת לוויינים מרחוק אינו מקצר את אורך החיים אשר מכביד על ה-OCXOs
•מוצא HCMOS או גל סינוסי קטוע (תכונות EMI/RFI נמוכות)
•זמינים ממדים קטנים יותר
•תחום תדרים מ-10 מגה-הרץ עד 52 מגה-
הרץ
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת מגוון טכנולוגיות.
