עמוד ראשי/רכיבים מכניים/רכבים אלקטרונים/הגביש והמיקרו מעבד

הגביש והמיקרו מעבד

הגביש הוא מנגנון מכני היוצר אפקט של מעגל חשמלי מסוים.

מבחינת מבנהו הפיסי הוא עשוי לרוב מלוחית קוורץ דקה. צורת עיבוד הגביש, מבנהו ובעיקר עוביו קובעים את תכונותיו המכניות והחשמליות (ראה איור 4).

את הגביש אפשר לייצר על ידי חיתוך ועיבוד מכני מגביש גדול יותר (לפעמים נמצא בטבע) או על ידי תהליך הנקרא "גידול הגביש" שבו מיצרים גביש במעבדה, ולא אכנס לזה כאן.

את הפעולה החשמלית של הגביש אפשר להבין על ידי חקר התופעה הפייזו-אלקטרית, שמופיעה לא רק בקוורץ אלא גם בחמרים נוספים: במלח רושל, בכמה סוגי חמרים קרמיים.

לתופעה זו שני מופעים שונים, שרק אם נאחד אותם נוכל להבין את פעולתו:

1. אם נפעיל לחץ מכני במרכז לוח הגביש, נגרום לתנועת אלקטרונים בתוכו ולהצטברות מטען חשמלי בין קצות הגביש.

לחץ בכוון הפוך יגרום לתנועת אלקטרונים הפוכה ולמטען הפוך בקטביותו.

לחץ בכוונים מתחלפים יגרום להופעת מתח מתחלף בין קצות הגביש.

תופעה זו מנוצלת בבנית מצית גז החשמלי במטבח: לחץ מכני שאנחנו מפעילים על גביש גורם להופעת מתח גבוה (יכול להגיע לאלפי וולטים) בין הדקיו ולפריצת ניצוץ ביניהם אם ההדקים קרובים מספיק. ניצוץ כזה יכול להצית את גז הבישול.

איור 1
2. אם נחבר מתח חשמלי בין קצות הגביש נקבל תנועה מכנית שלו, הגביש יתכופף סביב המרכז שלו. מתח מתחלף יגרום לתנועת הגביש בכוונים הפוכים, כלומר לגביש "מתנדנד" מכנית.

איור 2

תופעה זו מנוצלת היטב בסוג מסוים של אזניות. מספקים לאזניות מתח מתחלף בתדירות שמע וזה גורם לתנודת הגביש וליצירת גלי קול. הנאמנות של אזניות כאלה אינה גבוהה אבל יש להן יתרונות של מבנה פיסי קטן, עמידות לטלטולים ולזעזועים וצריכת זרם נמוכה מאד, כלומר נצילות גבוהה. אזניות אלה מתאימות מאד לסביבה רועשת ובעייתית כמו טנק, למשל.

איור 3

מה יקרה אם נאחד את שתי התופעות?

ניקח גביש "מתנדנד" כזה, ואת המתחים הנוצרים בין קצותיו נגביר ונמסור אותם, אחרי הגברה, בחזרה אל לוחות הגביש, בקטביות כזו ש"תחזק" את התנודות הנוצרות וחוזר חלילה. אפשר לראות מעגל כזה באיור 9.

נקבל "מתנד", מעגל היוצר תנודות בלתי פוסקות בתדירות מסוימת. התדירות תלויה, כמובן, במבנה המכני של הגביש וביכלתו להתנדנד. על כל גביש מסחרי כזה כתוב מהו תדר התנודות היסודי שלו. במקרים מסוימים אפשר ליצור מעגל שיתנדנד בכפולה כלשהי של תדר זה.

תופעה מכנית-חשמלית זו מנוצלת היטב בבנית מתנדים מדויקים, במיוחד עבור מיקרו מעבדים, ובבנית מסננים (פילטרים) מדויקים. המיקרו-מעבד מכיל בתוכו את המגבר הדרוש וכל מה שנשאר לעשות זה לחבר את הגביש בין שני הדקים ידועים ברכיב המיקרו.

איור 4

לעיתים קרובות יצרן המיקרו מבקש להוסיף על הגביש שני קבלים קטנים, 20-30 pF, שתורמים לתחילת התנודות במתנד, מחוברים בין קצות הגביש לבין ההארקה.

מבחינה חשמלית הגביש מתנהג כמעגל תהודה: אפשר לתאר אותו כצירוף של סליל וקבל, שגם מהם אפשר לבנות מעגל כזה. הגביש עדיף לפעמים, משום שהתדר הנוצר יהיה קבוע, תלוי מעט מאד בטמפרטורה ובמשתנים אחרים. לפעמים עדיף מעגל תהודה רגיל ולא גביש, כשצריך לשנות את התדר וכשלא מעונינים בתדר קבוע.

כשאמרתי "צירוף של סליל וקבל" לא נכנסתי בכוונה לפירוט, משום שהצירוף יכול להיות לפעמים טורי ולפעמים מקבילי, אפילו באותו גביש. לכל גביש יש תדירות תהודה טורית ותדירות תהודה מקבילית, שאינן בהכרח זהות. בדרך כלל התדירות המצוינת על הגביש היא המקבילית.

באיור 5 להלן רואים את ההתנהגות החשמלית של הגביש, את עכבת הגביש בתלות בתדר. צריך לזכור שלכוון מעלה-מטה אין הרבה משמעות, הוא רק מצביע על היותה של העכבה השראותית או קיבולית באופייה. מה שכן צריך לראות בסרטוט זה את ערכה המוחלט של העכבה.

איור 5

בנקודה Fs העכבה היא אפס, כלומר: הגביש בתדר זה הוא קצר. זוהי תדירות התהודה הטורית שלו, התדירות בה הוא מתנהג כמעגל תהודה טורי.

בנקודה Fa העכבה היא אין-סופית, כלומר: הגביש בתדר זה הוא נתק. זוהי תדירות התהודה מקבילית שלו, התדירות בה הוא מתנהג כמעגל תהודה מקבילי.

חיבור הגביש אל המיקרו-מעבד:

תמיד צריך לבדוק הוראות היצרן, משום שאיננו יודעים בוודאות את המבנה הפנימי שמסתתר בתוך המעבד.

1. האפשרות הנפוצה יותר היא חיבור הגביש אל שני הדקים ידועים של המעבד (מסומנים בדרך כלל כX1-X2-), בהנחה שכל חלקי המגבר הדרוש כבר נמצאים בתוך המעבד.

בדרך כלל היצרן מבקש לחבר קבלים קטנים, 20-30 pF, משני קצות הגביש אל ההארקה, כמו שהזכרתי קודם.

הדוגמה הבאה, באיור 2, לקוחה מחיבור של 8051 :

איור 6

עוד דוגמה, איור 7, לקוחה מהמעבד 6811 :

איור 7

זה די דומה לקודם, אם נזניח את הנגד.

2. אפשרות אחרת היא שהמתנד הוא חיצוני ולא בנוי במיקרו-מעבד. חלקי המעגל בנויים יחד עם הגביש בקופסת מתכת קטנה ומחוברים בנפרד מהמיקרו (לפעמים אותו מיקרו). במקרה זה יציאת המתנד תחובר אל אחת מכניסות המתנד בלבד, X1 בדרך כלל. החסרון בחיבור כזה הוא מחיר גבוה, והיתרון הוא מתנד בתדר מדויק ויציב יותר.

דוגמה לרכיב כזה:

איור 8

בכדי להבין טוב יותר היכן נמצא הגביש במערך המיקרו-מעבד, כדאי לראות את מעגל המתנד כולו, כולל המגבר הנמצא בתוך המעבד וכולל נגד המשוב וקבלי הערור הנמצאים מחוץ למעבד במקרה זה: