מתנד קריסטל הוא המפתח בתכנון מעגלים דיגיטליים, בדרך כלל בתכנון מעגלים, מתנד קריסטל משמש כלב המעגל הדיגיטלי, כל העבודה של המעגל הדיגיטלי אינה ניתנת להפרדה מאות השעון, ורק מתנד הקריסטל הוא כפתור המפתח ששולט ישירות על ההתחלה הרגילה של המערכת כולה, ניתן לומר שאם יש עיצוב מעגל דיגיטלי ניתן לראות את מתנד הגביש.

א. מהו מתנד קריסטל?

מתנד קריסטל מתייחס בדרך כלל לשני סוגים של מתנד גביש קוורץ ומהוד גביש קוורץ, ויכול להיקרא ישירות גם מתנד גביש. שניהם מיוצרים באמצעות אפקט פיזואלקטרי של גבישי קוורץ.

מתנד הגביש פועל כך: כאשר מופעל שדה חשמלי על שתי האלקטרודות של הגביש, הגביש יעבור דפורמציה מכנית, ולהפך, אם יופעל לחץ מכני על שני קצוות הגביש, הגביש יפיק שדה חשמלי. תופעה זו היא הפיכה, ולכן באמצעות מאפיין זה של הגביש, הוספת מתחי חילופין לשני קצוות הגביש, השבב יפיק רטט מכאני, ובמקביל יפיק שדות חשמליים מתחלפים. עם זאת, רטט ושדה חשמלי זה שנוצר על ידי הגביש הם בדרך כלל קטנים, אך כל עוד הוא בתדר מסוים, המשרעת תגדל משמעותית, בדומה לתהודה של לולאת LC שאנו מתכנני המעגלים רואים לעתים קרובות.

II. סיווג תנודות גבישים (אקטיביות ופסיביות)

① מתנד קריסטל פסיבי

גביש פסיבי הוא גביש, בדרך כלל מכשיר לא קוטבי בעל 2 פינים (לחלק מהגבישים הפאסיביים יש סיכה קבועה ללא קוטביות).

מתנד קריסטל פסיבי בדרך כלל צריך להסתמך על מעגל השעון שנוצר על ידי קבל העומס כדי ליצור את האות המתנודד (אות גלי סינוס).

② מתנד קריסטל פעיל

מתנד קריסטל פעיל הוא מתנד, בדרך כלל עם 4 פינים. מתנד קריסטל פעיל אינו מצריך את המתנד הפנימי של המעבד כדי להפיק אות של גל ריבוע. ספק כוח קריסטל פעיל מייצר אות שעון.

האות של מתנד גביש אקטיבי יציב, האיכות טובה יותר ומצב החיבור פשוט יחסית, שגיאת הדיוק קטנה מזו של מתנד גביש פסיבי, והמחיר יקר יותר מתנד קריסטל פסיבי.

III. פרמטרים בסיסיים של מתנד קריסטל

הפרמטרים הבסיסיים של מתנד הגביש הכללי הם: טמפרטורת פעולה, ערך דיוק, קיבול תואם, צורת חבילה, תדר הליבה וכן הלאה.

תדר הליבה של מתנד הקריסטל: הבחירה בתדר הגביש הכללי תלויה בדרישות של רכיבי התדר, כמו שה-MCU הוא בדרך כלל טווח, שרובם נע בין 4M לעשרות M.

דיוק רטט קריסטל: הדיוק של רטט הגביש הוא בדרך כלל ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM וכו', שבבי שעון דיוק גבוה הם בדרך כלל בטווח של ±5PPM, והשימוש הכללי יבחר בערך ±20PPM.

הקיבול התואם של מתנד הגביש: בדרך כלל על ידי התאמת הערך של הקיבול התואם, ניתן לשנות את תדר הליבה של מתנד הגביש, וכיום, שיטה זו משמשת להתאמת מתנד הגבישים ברמת דיוק גבוהה.

במערכת המעגלים, לקו אות השעון המהיר יש את העדיפות הגבוהה ביותר. קו השעון הוא אות רגיש, וככל שהתדר גבוה יותר, כך נדרש הקו קצר יותר כדי להבטיח שהעיוות של האות יהיה מינימלי.

כעת במעגלים רבים, תדר השעון הקריסטל של המערכת הוא גבוה מאוד, ולכן האנרגיה של הפרעה להרמוניות היא גם חזקה, הרמוניות ייגזרו מהקלט והפלט של שני קווים, אבל גם מקרינת החלל, מה שמוביל גם ל אם פריסת ה-PCB של מתנד הגבישים אינה סבירה, היא תגרום בקלות לבעיית קרינה תועה חזקה, ולאחר מייצור, קשה לפתור אותה בשיטות אחרות. לכן, זה מאוד חשוב עבור מתנד הגביש ופריסת קו האות CLK כאשר לוח ה-PCB מונח.