Koniec ery rezonatorów kwarcowych

Kilkadziesiąt lat temu rezonator kwarcowy był kluczowym podzespołem w radiokomunikacji, odpowiedzialnym za generowanie nośnych, filtrowanie częstotliwości pośredniej lub wycinanie wstęg bocznych. W radiostacjach wielokanałowych rezonatorów były dziesiątki, a te najważniejsze miały stabilizowaną temperaturę dla zapewnienia stabilności. Pracowały w styropianowym pudełku razem z grzałką i termostatem. Rezonatory pracowały nawet w generatorach nośnej komercyjnych radiostacji radiofonicznych, gdyż w tamtych czasach zapewniały najlepszą stabilność częstotliwości.

Działanie zegarów, aparatury pomiarowej, systemów PAL/SECAM w telewizji zawsze opierało się na kwarcach, a ich częstotliwości będące wielokrotnością potęgi dwójki lub równe dziesiątki stały się standardem. Później, gdy nadeszła era mikroprocesorów, kwarce były niezbędne do ich taktowania oraz do działania interfejsów szeregowych.

W efekcie liczba typów dostępnych w sprzedaży obejmowała wersje o różnym sposobie cięcia kryształu, obudowie, wielkości i oczywiście częstotliwości. Razem było to minimum kilkaset różnych produktów.

Rozwój ten zahamowało w znacznej części opracowanie syntezerów częstotliwości PLL i DDS, dzięki czemu sprzęt tele- i radiokomunikacyjny zadowalał się jednym rezonatorem. Wysokostabilne źródła odniesienia dla aparatury wysokiej klasy przejęły zegary atomowe, które dzisiaj są wielkości filtra kwarcowego. Większość mikrokontrolerów działa z użyciem zintegrowanych generatorów RC i kwarc do taktowania to już rzadkość.

Kolejną dużą zmianą było upowszechnienie się systemu nawigacji satelitarnej i Internetu. Satelity oraz serwery NTP w sieci są źródłem czasu o doskonałej dokładności w sprzęcie profesjonalnym, a nawet są używane w domowych zegarach ściennych. Dzięki wyjściu 1pps odbiorniki GNSS pozwalają też na synchronizację czasu, a więc na ustawienie skali precyzyjnie na upływających sekundach, czego nie zapewniają źródła częstotliwości wzorcowej działające niezależnie.

Klasyczne rezonatory w charakterystycznych metalowych obudowach wypycha z rynku miniaturyzacja, gdyż są one za duże w stosunku do innych elementów i dostępnego miejsca, a na dodatek są wrażliwe na narażenia mechaniczne. Zamiast nich używa się miniaturowych oscylatorów, w których kwarc jest wbudowany do obudowy chipa i przestaje być widoczny jako wyodrębniony komponent. W przemyśle lotniczym, kosmicznym, motoryzacji, odporność na przeciążenia jest zagadnieniem kluczowym i tam opisywane zmiany zaszły już dawno.

Ostatnia odsłona zmian technologii to oscylatory MEMS, które kryształu nie zawierają wcale, a więc nie wykorzystują zjawiska piezoelektrycznego. Elementem drgającym jest precyzyjna subminiaturowa struktura krzemowa wytworzona za pomocą fotolitografii i trawienia, której drgania są wzbudzane i podtrzymywane za pomocą elektrod i oddziaływania elektrostatycznego. Jest tam też chip z oscylatorem, pętlą PLL, kompensacją temperaturową, stabilizatorem zasilania, dzięki czemu razem zapewniona jest stałość częstotliwości w funkcji temperatury oraz precyzja równoważna najlepszej klasy rezonatorom kwarcowym, co potwierdza charakterystyczne oznaczenie „10.000000 MHz”.

Co ciekawe, mimo że te MEMS-owe komponenty nie są w żadnej mierze „kwarcowe”, dalej są oznaczane symbolami z charakterystycznym „X” (OXCO, TXCO Super- TXCO), symbolizującym kryształ. Zapewne z sentymentu.

Robert Magdziak