מתנד גביש הוא המפתח בתכנון מעגלים דיגיטליים. בדרך כלל בתכנון מעגלים, מתנד גביש משמש כלב המעגל הדיגיטלי. כל עבודת המעגל הדיגיטלי אינה נפרדת מאות השעון. מתנד הגביש הוא לחצן המפתח ששולט ישירות על ההפעלה הרגילה של המערכת כולה. ניתן לומר שאם יש תכנון מעגל דיגיטלי, ניתן לראות את מתנד הגביש.

א. מהו מתנד גבישי?

מתנד גביש מתייחס בדרך כלל לשני סוגים של מתנד גביש קוורץ ומהוד גביש קוורץ, וניתן לכנותו גם מתנד גביש ישירות. שניהם מיוצרים באמצעות האפקט הפיזואלקטרי של גבישי קוורץ.

מתנד הגביש פועל כך: כאשר שדה חשמלי מופעל על שתי האלקטרודות של הגביש, הגביש יעבור עיוות מכני, ולהפך, אם מופעל לחץ מכני על שני קצוות הגביש, הגביש ייצר שדה חשמלי. תופעה זו הפיכה, כך שבאמצעות מאפיין זה של הגביש, הוספת מתחים מתחלפים לשני קצוות הגביש, השבב ייצר ויברציה מכנית, ובמקביל ייצר שדות חשמליים מתחלפים. עם זאת, ויברציה זו ושדה חשמלי הנוצרים על ידי הגביש הם בדרך כלל קטנים, אך כל עוד הם בתדר מסוים, המשרעת תגדל משמעותית, בדומה לתהודה של לולאת LC שאנו, מעצבי המעגלים, רואים לעתים קרובות.

II. סיווג תנודות גבישיות (אקטיביות ופסיביות)

① מתנד גביש פסיבי

גביש פסיבי הוא גביש, בדרך כלל התקן לא קוטבי בעל 2 פינים (לחלק מהגבישים הפסיביים יש פין קבוע ללא קוטביות).

מתנד גביש פסיבי בדרך כלל צריך להסתמך על מעגל השעון שנוצר על ידי קבל העומס כדי לייצר את אות התנודה (אות גל סינוס).

② מתנד גביש פעיל

מתנד גביש אקטיבי הוא מתנד, בדרך כלל עם 4 פינים. מתנד גביש אקטיבי אינו דורש מהמתנד הפנימי של המעבד לייצר אות גל מרובע. ספק כוח גביש אקטיבי מייצר אות שעון.

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

ג. פרמטרים בסיסיים של מתנד גביש

הפרמטרים הבסיסיים של מתנד גביש כללי הם: טמפרטורת פעולה, ערך דיוק, קיבול התאמה, צורת מארז, תדר ליבה וכן הלאה.

תדר הליבה של מתנד הגביש: בחירת תדר הגביש הכללי תלויה בדרישות רכיבי התדר, כמו ב-MCU, טווח התדרים הוא בדרך כלל בין 4M לעשרות M.

דיוק רטט הגביש: דיוק רטט הגביש הוא בדרך כלל ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM וכו'. שבבי שעון מדויקים הם בדרך כלל בטווח של ±5PPM, ובשימוש כללי הם בערך ±20PPM.

קיבול ההתאמה של מתנד הגביש: בדרך כלל על ידי התאמת ערך הקיבול ההתאמה, ניתן לשנות את תדר הליבה של מתנד הגביש, וכיום, שיטה זו משמשת להתאמת מתנד הגביש בעל דיוק גבוה.

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 שעיוות האות יהיה מינימלי.

כיום, במעגלים רבים, תדר שעון הגביש של המערכת גבוה מאוד, כך שאנרגיית ההפרעה להרמוניות חזקה גם כן. הרמוניות ייגזר משני קווי הקלט והפלט, וגם מקרינת החלל. מה שמוביל לכך שאם סידור לוח המעגלים המודפס של מתנד הגביש אינו סביר, הוא יגרום בקלות לבעיית קרינה תועה חזקה, וכאשר נוצרת, קשה לפתור אותה בשיטות אחרות. לכן, חשוב מאוד לסידור קווי האות של מתנד הגביש ושל CLK כאשר לוח המעגלים המודפסים מונח.