TCXO הוא מתנד גבישי מקוזז טמפרטורה המשמש במצבים שבהם נדרשת יציבות גבוהה במיוחד בסביבה המאופיינת בשינויי טמפרטורה, כלומר מצבים שבהם סטיית התדר של המתנד חייבת להיות מזערית בכול טווח טמפרטורות העבודה.
מתנדים המשתמשים בלוחיות גביש קוורץ מסוג AT , (מכונים "גלמים" – blanks), מספקים את הפתרון החסכוני ביותר ליצירת תדר ייחוס יציב ומדויק. עם זאת, דיוק התדר שלהם משתנה כתלות בטמפרטורת הסביבה. הדיוק הטוב ביותר מושג בטמפרטורה של 25°C., וככל שטמפרטורת הסביבה מתרחקת מערך זה, כך משתנה סטיית התדר בהתאם למאפיין ייחודי.
אפשר לחשב בקירוב את הקשר בין הטמפרטורה לסטיית התדר באמצעות פונקציה פולינומית ממעלה שלישית. כמו כן, אפשר להשתמש בפונקציה ממעלה חמישית כדי לקבל עקומה מדויקת עוד יותר.

בתנאי טמפרטורה קיצוניים ייתכנו סטיות עד לערך של ‎+/-100 ppm במתנד גבישי רגיל (XO), שכן המקדמים הפולינומיים מהמעלה הגבוהה יותר שכיחים יותר בטווחי טמפרטורות קיצוניים. יציבות התדר של מתנדי XO רגילים, כפי שהיא מוצגת באיור 1, מדויקת דיה עבור מספר רב של יישומים. עם זאת, יישומים רבים אחרים, כגון יישומי אלחוט או יישומי GPS, שלהם דרישות מחמירות יותר שעליהן יכולים לענות רק מתנדי TCXO.

מבנה מתנד TCXO ותפקודו
מתנדי TCXO מגבילים את סטיות התדר בכל טווח טמפרטורות העבודה בין ‎-40°C ל־85°C, ולכן משיגים יציבות תדר של עד ל־‎±0.5ppm.
במאמר זה יובא הסבר מפורט על אופן פעולתו של מתנד TCXO, תוך בחינת הארכיטקטורה הבסיסית שלו. על פי רוב, מתנד TCXO כולל חמישה בלוקים פונקציונליים (איור 2); תיאור מפורט יותר של כל אחד מהם מובא בהמשך.

1) מחולל אות בקרה עם פונקציה פולינומית
מחולל אות הבקרה הוא הליבה של מתנד TCXO. בשלב הראשון, מתבצע זיהוי של השינויים בטמפרטורת הסביבה (ΔT) באמצעות חיישן טמפרטורה מובנה. בבעזרת משוון (comparator) עם מתח ייחוס מוגדר מראש, מתורגם השינוי בטמפרטורה (ΔT) למתח טמפרטורה יחסי (V_T). בשלב הבא, מתורגם מתח הטמפרטורה היחסי (V_T) למתח בקרה ספציפי (V_C) באמצעות מחולל פונקציה פולינומית.

לסיכום, ניתן לומר שמתח הבקרה V_C (עקומה בצבע אדום) מתנהג בהתאם לתהליך עיבוד מוגדר מראש שמשקף את חישת הטמפרטורה של המתנד (עקומה בצבע כחול). עם זאת, לכל גולם גביש יש מאפיין טמפרטורה ייחודי משלו, כך שנדרש תהליך פיצוי מותאם לכל גולם וגולם לקביעת מקדמי הפונקציה הפולינומית. לפיכך, מתנדי TCXO מציגים דיוק גבוה, אך מחירם גבוה יותר מזה של סוגי מתנדים אחרים.

2) מערך משיכה
מעגל זה משתמש במתח הבקרה (ΔV_C) כדי לתקן את סטיית התדר של המתנד הנגרמת בשל שינויי הטמפרטורה.
כדי להבין כיצד יכול מתח הבקרה לכייל את התדר, עלינו להעזר במשוואה הבאה:
תדר התהודה של המתנד (fosc) נקבע על ידי שני משתנים שקולים: ההשראות השקולה (inductance – ‏L) של הקוורץ והקיבוליות השקולה (capacitance –‏ C). בהיותה תכונה טבעית של כל גולם קוורץ, ההשראות (L) משתנה בשל שינוי הטמפרטורה. לפיכך, פיצוי על שינויים אלה מתאפשר רק על ידי שינוי הקיבוליות (C) הנשלטת על ידי ה-ASIC.
מערך של ואראקטורים (varactors) משמש לניטרול אפקט הטמפרטורה של גולם הגביש על ידי שינוי מפצה של הקיבוליות (Δ_C). כאשר עליה בטמפרטורה גורמת לעלייה בהשראות השקולה (L) של גולם הגביש, הקיבוליות השקולה (C) תקטן בהתאמה על מערך הוואראקטורים כפיצוי.
הוואראקטורים משנים את הקיבוליות שלהם בהתאם למתח, וכאן תפקידו של מתח הבקרה שהוזכר לעיל (V_C). במילים פשוטות, מערך הוואראקטורים משתמש במתח הבקרה (V_C) כדי לשנות את קיבוליות השקולה (C) באופן שמבטל את השינוי בתדר התהודה של גולם גביש מסוים בטמפרטורה נתונה.

3) מתנד ליבה
נוסף על המעגלים לפיצוי הטמפרטורה, מתנד TCXO מצויד כמובן גם במעגל מתנד רגיל הבנוי ליצירת התדר הרצוי.
4) וסת מתח
רכיב זה משמש כמעין 'מנגנון הגנה'. מטרתו לווסת את המתח המופעל על מתנד ה-TCXO מבחוץ על מנת למנוע תנודות מתח בתוך ה-TCXO שעלולות להיגרם בין היתר בשל הרעש ממקור המתח.
5) באפר (buffer) יציאה
סוג נוסף של מנגנון הגנה. תפקידו לבודד את מתנד הגביש משינוי כלשהו בעומסים החיצוניים. לפיכך, השינוי בקיבוליות עומס המוצא לא תשפיע על הדיוק של תדר התהודה.

TCXO: יישומים מעשיים נפוצים
בזכות יציבות התדר המעולה שלהם, מתאימים במיוחד מתנדי TCXO ליישומי תקשורת אלחוטית. ביקוש גבוה לרכיבים אלה ניכר גם בתחומי ה-IoT (האינטרנט של הדברים), יישומי GPS ומוצרי אלקטרוניקה צרכנית רבים.
כל יישום מאופיין בדרישות ספציפיות ולכן Jauch Quartz גאה להציג מבחר רחב של מתנדי TCXO במידות שונות כחלק מסדרת JT. לאחרונה גדל הרכיבים בסדרה עם הוספת רכיב JT21G החדש, שתוכנן במיוחד לשימוש במערכות ניווט (GPS‏, GNSS ועוד).
כל הרכיבים בסדרת JT כוללים HCMOS או מוצא מסוג Clipped Sine. בנוסף, כל הרכיבים בסדרת JT מאופיינים בשתי תכונות ליבה חשובות.

מתנדי TCXO מתוצרת Jauch משתמשים בגלמי קוורץ "מתורבתים" (Disciplined Quartz) בלבד
בגלמי קוורץ רגילים עלולים להופיע פגמים וזיהומים זעירים, כגון אזורים על פני הגביש שלא לוטשו בצורה מספקת או סריגים לא מסודרים. אי-סדירויות זעירות אלה עלולות לגרום לקפיצה פתאומית בתדר בטווח טמפרטורות מסוים, קפיצה שלא ניתן לתאר באמצעות משוואה פולינומית ממעלה סופית. כתוצאה מכך, מנגנון הפיצוי של מתנד ה-TCXO יסבול מאי-דיוקים בטווח טמפרטורות זה. תופעה זו מכונה "הפרעת תדר" (frequency perturbation) והמחשה שלה מוצגת בגרף שבאיור 4.

באיור 4 מוצגים מאפייני הטמפרטורה של מתנד TCXO המבוסס על גולם קוורץ רגיל עם הפרעת תדר בלתי צפויה בטמפרטורה של 63°C. לפיכך, כאשר טמפרטורת העבודה מתקרבת לנקודה קריטית זו, תתרחש קפיצה פתאומית בתדר המוצא. מערכת המתבססת על תדר לא מדויק שכזה תפגין ירידה בביצועים ואפילו תושבת זמנית. לכן משתמשת Jauch אך ורק בגלמי קוורץ מאיכות גבוהה ובעלי מבנה גבישי מתוחכם, כדי למנוע כל הופעה של הפרעת תדר במתנדי ה-TCXO שלנו.

תגובה בזמן אמת תודות לשימוש ב-Mixed Signal ASIC
מתנדי ה-TCXO של Jauch מבוקרים על ידי ASIC מסוג mixed-signal. וקביעת הפרמטרים בחמשת הבלוקים הפונקציונליים נעשית בצורה דיגיטלית. מנגד, מנגנון הפיצוי, כלומר תרגום טמפרטורת הסביבה הנמדדת על ידי החיישן למתח התיקון, מתבצעת בזמן אמת בשיטה אנלוגית שבהשוואה למקבילתה הדיגיטלית לא סובלת מהשהיות או רזולוציה מוגבלת.
מנגנון חכם לפיצוי טמפרטורה ושימוש בגלמי קוורץ מאיכות גבוהה מבטיחים יציבות תדר מעולה, והופכים את מתנדי ה-TCXO של Jauch לפתרון המושלם למגוון רחב של יישומים בתחומי האלחוט והתקשורת, כמו גם במערכות ניווט שבהן דרוש דיוק גבוה מהממוצע.
מחפשים את מתנד ה-TCXO המתאים לשימוש שלכם או זקוקים לעזרה בתכנון? דברו איתנו! אנחנו כאן כדי לעזור! נשמח לסייע לכם במציאת הפתרון המושלם!

קומטל ישראל - 09-7677240 - sales@comtel.co.il

לקריאת המאמר באתר חברת JAUCH יש ללחוץ על הקישור : https://www.jauch.com/blog/en/tcxo-design-and-functionality/