במהלך 50 השנים האחרונות מתנדי גביש הפכו לנפוצים ביותר בכל מקום בו נחוץ מקור אות ייחוס יציב במערכות RF.
מתנדי גביש מבוקרי-תנור
(Oven-controlled Crystal Oscillators –OCXO) בתחום ה-5 עד 10 מגה-הרץ משמשים לרוב כדי לספק ייחוס תדר יציב ביותר, או כאשר נדרש רעש מופע נמוך ביותר בקרבת הגל הנושא, בהיסטים של כ-10 הרץ. כמו-כן, ה-Q הגבוה של הגביש (לרוב 106< עבור 3rd overtone SC-cut) מפעיל בקרה צמודה ביותר על מעגל המתנד, וניתן להשיג גבישים בעלי רעש מופע נמוך ביותר.
יישומים כגון מערכות מדידת רעש מופע, מכ”מים בעלי ביצועים גבוהים ומסנתזי תדר זקוקים ככלל לרצפות רעש מופע נמוכות בהיסטים בתחום העשרות עד מאות קילו-הרץ. אי-אפשר להשיג את הביצועים הדרושים על-ידי הכפלה ישירה או סינתזה של PLL מ-OCXOs של 10 מגה-הרץ בגלל הקשר של 20log(N) התקף כאשר תדר מוכפל ב-N. לדוגמה, הפקת אות של 1.6 גיגה-הרץ מ-10 מגה-הרץ יגביר את רעש המופע ב-44 dB. גם אם למתנד של 10 מגה-הרץ יש רצפת רעש מופע נמוכה מאוד של -175 dBc/Hz, לדוגמה, הרצפה הנמוכה ביותר האפשרית ב-1.6 גיגה-הרץ היא -131 dBc/Hz, אף לפני שמביאים בחשבון את הרעש הנוסף בשל המכפיל או ה-PLL.
OCXOs VHF יכולים לספק רעש מופע נמוך קרוב-לגל הנושא ובאותו הזמן להציע שיפור של 20 dB או יותר ברצפת הרעש כאשר הוא משמש כייחוס עבור מכפילים או מסנתזים. ה-OCXO הסטנדרטי של Pascall מציע רעש מופע מתקרב הטוב ביותר מסוגו משולב עם רצפת רעש נמוכה ביותר. איור 1 מראה גרף של רעש מופע של OCXO רמת E 100 מגה-הרץ, בעל מפרט מובטח של -137 dBc/Hz בהיסט של 100 הרץ.
אולם, שאילתות מלקוחות, ביחד עם הרצון לשפר את ביצועי מוצרי הסינתוז של Pascall, גרמו למחשבה שיהיה זה יתרון עבור היישומים התובעניים ביותר אם ניתן יהיה להוריד את רצפת הרעש של ה-OCXO. הדבר המריץ את פיתוחו של OCXO חדש מסדרת F בעל רצפת רעש נמוכה יותר תוך שמירה על רעש המופע הקרוב-לגל הנושא הטוב של המתנד המקורי.
שיקולי פיתוח
בעת פיתוח ה-OCXO מסדרת F היה חשוב להבין ולהתחשב במנגנונים הרבים אשר עלולים להפוך מתנד לרועש בצורה מפתיעה, אשר בחלקם הם עדינים במיוחד. לדוגמה, אם לפשט, מתנד מכוונן הוא מערכת משוב בה הזזת המופע מסביב ללולאה הוא מספר מחזורים שלם בתדר הפעולה. המנגנון הראשי לבקרת התדר מחייב מעגל מכוון או מהוד (resonator). בהיסטים נמוכים הדבר פועל כמפלה תדר (discriminator), הממיר שינויי תדר להזזות מופע. המתנד פועל בתדר בו הזזת המופע של המהוד מפצה עבור זו של מעגל התחזוקה.
כמו כן, בנוסף לשיקול הזזת המופע, ערך שבח הלולאה חייב להיות אחד. זה מושג כללית או על-ידי הגבלה בתוך מעגל המתנד או על-ידי לולאת ALC.
בגלל שהזזת המופע המשולבת של המהוד ומעגל התחזוקה היא מספר שלם של מחזורים בתדר העבודה, כל הפרעה במופע הנובעת ממעגל התחזוקה דורשת שינוי מופע מפצה במהוד. הדבר גורם להזזת תדר מקבילה. בדרך זו, כאשר מגבר בעל רעש מופע שטוח משמש במתנד, הוא ייצור אות בעל רעש FM שטוח. מאחר שאמפליטודת פס הצד ה-M יחסית לאפנון המופע והמופע הוא האינטגרל של התדר ביחס לזמן, הדבר מביא לשיפוע של 20 dB/decade האופייני הנצפה מסביב לתדר גל הנושא.
מהודים בעלי Q גבוה יותר יוצרים יותר הזזת מופע עבור שינוי נתון בתדר. במתנד מנגנון זה משמש במהופך, כך שנוצר פחות שינוי בתדר עבור הפרעת מופע נתונה, וזה גורם לרעש מופע נמוך יותר. הדבר תקף גם כאשר הפרעת המופע נוצרת מתוך מעגל המתנד או חיצונית, משינויים בעומס או רעש ספק הכוח. לכן, Q גבוה הוא דבר טוב.
בהיסטים נמוכים יותר, מנגנונים שונים גורמים ליצירת אפנון מופע מהבהב (flicker) אותו ממירה לולאת המתנד לרעש הבהוב FM, הגורם לשיפוע של 30 dB/decade קרוב לגל הנושא.
רצפת רעש המופע תלויה הן ברמת האות בתוך המתנד והן בדרך בה המוצא מופק ממנו. לעתים קרובות יש לבצע פשרות בין משיכת העומס, רצפת הרעש ורעש מופע מקורב.
אולם תאור זה איננו מכסה את רעש ה-AM. במתנד מתוכנן היטב, הוא לרוב הרבה יותר נמוך מאשר רעש המופע הקרוב לגל הנושא, ונופל לרוב אל רצפה דומה בהיסטים גדולים, כך שהוא לא מהווה בעיה משמעותית.
מהצד השני, למתנדי גביש יש לרוב רעש מופע הרבה יותר גרוע מאשר ניתן היה לצפות מתוך רעש המעגל ו-Q המהוד. זאת בגלל שלגבישים עצמם יש רעש FM 1/f, המתורגם לרעש מופע של 1/f3. בתכנוני מתנדים נמוכי-רעש , הרעש הצמוד לגל הנושא נשלט ככלל על-ידי רעש המתנד ולא ה-Q הטעון או רעש המעגל. לכן, בחירת הגביש היא מכרעת אם רעש מופע נמוך הוא חשוב, מאחר שעשוי להיות מעל 20 dB שינוי אפילו בתוך batch יחיד של גבישים.
Q גבוה עדיין חשוב, מאחר שהוא מקטין את תרומת מעגל המתנד לרעש הקרוב, וממזער את דחיפת הספק ומשיכת העומס. בתדרים מסביב ל-100 מגה-הרץ גבישים 5th-overtone SC-cut מציעים את השילוב הטוב ביותר של רעש נמוך ו-Q גבוה, ביחד עם אפיון תדר שטוח/טמפרטורה בנקודת המפנה שלהם, לרוב כ-80o C.
שיקולי תכנון
כל הגורמים הללו חשובים, אבל תכנון מתנדים מעשי כרוך תמיד בפשרות. ה-OCXO מסדרת F שואף לספק את רעש המופע הנמוך ביותר האפשרי בתוך מארז קומפקטי יחסית של 2x2x0.75 אינטשים.
ה-OCXO כולל מייצב נמוך-רעש ואחריו מסנן המרבב את דחיית הרעש מספקים חיצוניים וגליות. במיוחד, תשומת לב רבה הוקדשה לנתיבי ההארקה, כדי למנוע שרעש מזרם התנור ישפיע על ביצועי המתנד. המתנד מבוסס היטב על תכנון ה-OCXO הסטנדרטי של החברה, עם ההתקנים הפעילים מופעלים ליניארית מאחר שפעולה לא-ליניארית מגדילה ככלל את רעש ההבהוב של הטרנזיסטורים וגם את אפנון האות על-ידי ספק הכוח והגליות. מידת השיבוש משתנה לפי גורמים כגון התנגדות התנועתית של הגביש, טמפרטורה ועוד. פעולה ליניארית גם יוצרת תנאי פעולת RF יותר קלים לחיזוי, דבר המסייע בשעה שמכוונים את המתנד בשני הצדדים של התהודה הטורית של הגביש.
רצפת הרעש הנמוכה מאוד של ה-OCXO מסדרת F מושגת על-ידי שמירה על רמות אות גבוהות בתוך מגבר המוצא. האות נלקח מהמתנד באופן הממרב את ההספק לתוך המגבר תוך שימוש במהוד כדי להקטין רעש מרוחק מהנשא.
ביצועים
לסדרת ה-F אותו רעש קרוב-במופע כמו ה-OCXO הרגיל של Pascall, ביחד עם רצפת רעש משופרת והספק מוצא גבוה יותר. טבלה 1 מסכמת את הביצועים המוצעים ב-100 מגה-הרץ. יש לציין שערכי רעש המופע מהווים ביצועי מינימום, ולא ערכים אופייניים.
היישום הראשון של התכנון החדש של ה-OCXO היה ב-120 מגה-הרץ. איור 2 מראה גרף של רעש המופע. רעש המופע של גבישים עולה יחסית מהר עם עליית התדר, כך שאין אפשרות להשיג אותם הביצועים ב-120 מגה-הרץ כמו ב-100 מגה-הרץ. אולם הגרף מראה בבירור את רצפת רעש המופע המשופרת.
מדידה של רצפת רעש מופע מאוד נמוך מהווה אתגר רציני, ודורשת קשר צולב כדי להפחית את רעש מערכת הבדיקה הנוסף מתחת לזה של ההתקן הנבדק. כאן הביצועים המוצגים בתחום ה-10 עד 70 קילו-הרץ מוגבלים כנראה על-ידי מערך הבדיקה.
יישומים
ה-OCXO מסדרת F, עם רצפת רעש המופע הנמוכה במיוחד, מתאים אידיאלית לשמש במכפילי תדר, גלאי מופע וערבלים בעלי רעש נמוך ביותר.הספק המוצא הגבוה שלו פירושו שלא יידרש מגבר נוסף, ובכך ייעלם מקור רעש נוסף.
עבור יישומים שאינם דורשים רצפת רעש כה נמוכה, ה-OCXO הרגיל עשוי להיות בחירה מתאימה יותר מאחר שיש לו צריכת זרם יותר נמוכה, אך עדיין מציע אותם הביצועים הקרובים-לגל הנושא. אולם, הרעש המאוד נמוך הרחק מהגל הנושא של סדרת ה-F עשוי לסייע למתכננים להשיג שיפורי ביצועים אמיתיים במערכות מעודכנות דוגמת מכ”מים בעלי ביצועים גבוהים, מסנתזי תדר בעלי רעש נמוך ביותר ומערכות לבדיקת רעש מופע.
מסקנות
ה-OCXO מהסדרה החדשה F משלב ביצועי רעש מופע הצמודים של ה-OCXO התקני של החברה עם רצפת רעש אף יותר נמוכה והספק מוצא יותר גבוה, ומציע למתכננים כלי חדש לשיפור ביצועי מערכת ביישומים התובעניים ביותר. למתנד תחום כוונון רחב של ±>6×10-6, עם כוונון מכני אפשרי כאלטרנטיבה, והוא נתון במארז תקני של 2x2x0.75”.
*הראיון נמסר באדיבות חברת RST, ונעשה במקור עם GRAHAM JEFFERIES מחברת EMRISE.
