Początek końca

Niewiele dziedzin techniki zaskakuje różnorodnością tak jak elektronika. Przejawia się m.in. w tym, że obok siebie w jednym urządzeniu mogą współegzystować różne technologie, od tych najbardziej wyrafi nowanych i nowoczesnych, po wydające się być zupełnie antycznymi. Nowoczesny procesor wykonany w procesie 45nm sąsiaduje na tej samej płytce drukowanej z głośnikiem, bezpiecznikiem topikowym, przekaźnikiem elektromagnetycznym czy rezonatorem kwarcowym, a więc podzespołami, z których wiele ma ponad 100-letnią historię. Takie połączenie jest na tyle naturalne dla większości aplikacji, że można się zastanowić, czy nie ma charakteru ponadczasowego.

Wymienione podzespoły z pewnością zaliczają się do wyjątkowo odpornych na techniczną ewolucję i ich zasłużona emerytura w Muzeum Techniki przez cały czas jest odkładana na później. Mimo że mamy bezpieczniki polimerowe, przekaźniki półprzewodnikowe bazujące na znakomitych półprzewodnikach mocy, nie widać na rynku trendów zdolnych do zmiany ich pozycji i znaczenia w najbliższych latach. Na emeryturę może niedługo trafić natomiast rezonator kwarcowy. Rocznie na świecie sprzedaje się 10 mld kwarców, czyli na tyle dużo, żeby warto było starać się o udziały w rynku, proponując nową jakość. Dodatkowo klasyczne rezonatory są z punktu widzenia dzisiejszej elektroniki zbyt duże, za mało odporne na narażenia mechaniczne i zmiany temperatury. Wiele nowoczesnych urządzeń bazuje na jednym układzie scalonym typu SoC i dlatego najbardziej logicznym krokiem jest wbudowanie źródła częstotliwości wzorcowej do środka obudowy, a najlepiej jego integracja ze strukturą. Tego z kwarcem zrobić się nie da. Problem pojawił się równolegle do tego, jak mikrokontrolery zaczęto umieszczać w obudowach BGA o wielkości łepka szpilki i gdy rozpoczęto produkcję okrojonych wersji zawierającej tylko kilka wyprowadzeń. W tych zastosowaniach kwarc okazał się trudną przeszkodą w integracji.

Lektura informacji prasowych o nowych podzespołach pokazuje, że na rynku co chwila pojawiają się nowe komponenty scalonych oscylatorów zastępujących tradycyjny kwarc. W większości bazują one na układach MEMS, w których elementem drgającym jest subminiaturowy kamerton krzemowy, współpracujący z programowanym dzielnikiem częstotliwości na bazie pętli PLL. Wysoka częstotliwość drgań pozwala uzyskać praktycznie dowolną częstotliwość wyjściową, a stabilność częstotliwości rzędu 100ppm umożliwia na większość zastosowań.

Inne firmy idą jeszcze dalej i tworzą oscylatory za pomocą standardowego procesu CMOS. W tym przypadku elementem rezonansowym jest cewka indukcyjna i kondensator MOS o programowanych parametrach, co pozwala skompensować na tyle dryf, że przy pracy obwodu LC na gigahercowej częstotliwości stabilność drgań wynosi 100ppm, czyli około 1000 razy lepiej w porównaniu do zwykłych generatorów LC i około 20 razy gorzej od klasycznego kwarcu.

Liczba firm, które już dzisiaj oferują oscylatory zastępujące elementy kwarcowej, wynosi około dziesięciu, niemniej charakterystyczne jest to, że cały czas pojawiają się nowe przedsiębiorstwa, co świadczy o otwierającym się rynku. Z pewnością aktualna wartość 100ppm w zakresie stabilności częstotliwości nie jest rewelacją, ale też nie jest ostatnim słowem technologii i w przyszłości zbliżymy się bardziej do parametrów rezonatora kwarcowego. Szybko rosnąca oferta rynku i rozwój techniczny powinny zatem przyspieszyć zmiany jakościowe, które już niedługo mogą zepchnąć rezonator kwarcowy na margines.

Element ten jest w układach elektronicznych jedynie źródłem sygnału o stabilnej częstotliwości, dlatego raczej nie ma szans, aby podobnie jak w przypadku przekaźnika elektromagnetycznego i półprzewodnikowego, na rynku funkcjonowały równolegle uzupełniające się produkty. Miniaturowe wersje MEMS i scalone raczej zdominują rynek, gdyż nie mają tylu ograniczeń, co kwarce klasyczne i mają porównywalne parametry techniczne. Podobnie było z potencjometrami dostrojczymi i trymerami, których próżno już szukać na płytkach drukowanych, gdyż apetyt technologii krzemowej na integrację wciąż jest nienasycony.

Robert Magdziak