چه عواملی بر پایداری نوسانگرهای کریستال کوارتز تأثیر می گذارد؟
اسیلاتورهای کریستالی به طور گسترده در کاربردهای عملی، به عنوان مثال، در مدارهای ساعت CPU استفاده می شوند. از آنجایی که همه خوانندگان با آنها آشنایی ندارند، این مقاله به معرفی پایداری فرکانسی نوسانگرهای کریستالی و تحلیل عوامل موثر بر پایداری فرکانس نوسانگرهای کریستال کوارتز می پردازد.
پایداری فرکانس، تغییرات فرکانس خروجی نوسانگر را که در اثر نوسانات دما در حین کار ایجاد می شود، توصیف می کند. اگر رانش فرکانس از الزامات برنامه بیشتر شود، خطاهای زمانبندی ایجاد میشود. پایداری فرکانس در قسمت در میلیون (ppm) نسبت به فرکانس اسمی در یک محدوده دمایی تعریف شده مشخص میشود.
یکی از مشخصه های کلیدی نوسانگرهای کریستال کوارتز، پایداری آنها در محدوده دمای عملیاتی است و این یک عامل اصلی موثر بر قیمت نوسان ساز کریستالی است. هرچه پایداری فرکانس بهتر یا محدوده دمای عملیاتی بیشتر باشد، هزینه قطعه بالاتر خواهد بود. محدوده درجه -40~+85 تعریف شده در استانداردهای صنعتی اغلب صرفاً از روی عادت طراحان انتخاب میشود. اگر محدوده 20-~{6}} درجه شرایط را برآورده می کند، نیازی به انتخاب محدوده دمایی گسترده تر نیست. مهندسان طراح باید قبل از مشخص کردن پایداری نوسانگر کریستالی، الزامات واقعی کاربرد خود را به دقت ارزیابی کنند. بیش از حد مشخصات منجر به افزایش هزینه های غیر ضروری می شود.
پیری نوسانگرهای کریستال کوارتز یکی دیگر از عوامل اصلی است که منجر به تغییر فرکانس می شود. بسته به نیازهای عمر مفید محصول نهایی، چندین روش برای کاهش این اثر در دسترس است. پیری کریستالی باعث میشود فرکانس خروجی از منحنی رانش لگاریتمی پیروی کند، به این معنی که اثر پیری در طول سال اول بهرهبرداری بارزتر است. به عنوان مثال، سرعت پیری یک کریستال پس از بیش از 10 سال کارکرد تقریباً یک سوم- سرعت آن در سال اول است. این رانش را می توان از طریق تکنیک های تخصصی پردازش کریستال کاهش داد یا با تنظیم جبران کرد. یک مثال اعمال ولتاژ به پایه کنترل است (یعنی یکپارچه سازی یک تابع کنترل ولتاژ).
سایر عوامل موثر بر پایداری عبارتند از: تغییرات ولتاژ تغذیه، تغییرات بار، نویز فاز و جیتر. این پارامترها باید هنگام انتخاب نوسانگرهای کریستالی فعال تعریف شوند. برای محصولات صنعتی-، گاهی اوقات مشخصات لرزش و شوک لازم است. تجهیزات نظامی و هوافضا الزامات اضافی مانند تحمل تغییرات فشار و قرار گرفتن در معرض تشعشع را تحمیل می کنند.
نوسان سازهای کریستال کوارتز معمولاً از کریستال های کوارتز مصنوعی ساخته می شوند. کوارتز مصنوعی از تولید انبوه پشتیبانی می کند و هزینه های ساخت را کاهش می دهد، در حالی که کریستال های کوارتز طبیعی تنها در بخش کوچکی از کاربردها استفاده می شوند. با این وجود، واردات مواد کریستال خام در حال افزایش است. برخی از تولیدکنندگان نوسان ساز کریستالی مواد خام پایینتری را برای تولید انبوه برای کاهش هزینهها استفاده میکنند. استفاده از چنین موادی باعث ایجاد مشکلاتی از جمله دقت فرکانس ضعیف برای اسیلاتورهای کریستالی SMD و استوانهای، عملکرد نامناسب دما، شکست در نوسان و سایر خطاهای عملکردی میشود.
برای تضمین قابلیت اطمینان محصول، معمولاً باید یک حاشیه طراحی در هنگام انتخاب جزء رزرو شود. انتخاب مؤلفههای درجه{1} بالاتر میتواند احتمال خرابی را بیشتر کاهش دهد و مزایای بالقوه را ارائه دهد. این جنبه نیز باید در هنگام مقایسه قیمت محصول در نظر گرفته شود. برای دستیابی به عملکرد کلی متعادل و معقول نوسانگرهای کریستال کوارتز، مهندسان باید چندین فاکتور از جمله پایداری، محدوده دمای کارکرد، اثر پیری کریستال، نویز فاز و هزینه را بسنجید. در نظر گرفتن هزینه نه تنها قیمت جزء بلکه هزینه طول عمر محصول را نیز پوشش می دهد.