Современные кварцевые компоненты компании NDK

Предприятие Nanbu Shoko Co., Ltd основанное в 1948 году в Нихонбаси, начало производство кварцевых резонаторов в 1949 году (Nihonbashi – один из центральных районов Токио). В 1950 году компания изменила название на Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd (NDK), под этим названием компания уже более 60 лет известна как один из крупнейших мировых производителей кварцевых компонентов и устройств на их основе.

Производство кварцевых фильтров началось в 1959 году, в 1960 году компания приступила к выпуску кварцевых генераторов. NDK является одной из немногих компаний, которые самостоятельно выращивают синтетические кварцевые кристаллы и осуществляют их распиловку. В 1962 году началось строительство завода Sayama Plant в префектуре Сайтама, а уже в 1963 году компания начала массовый выпуск продукции на основе синтетических кварцевых кристаллов, в том же году она стала публичной.

В 70-е годы компания активно создавала дочерние предприятия в Японии и представительства за рубежом, первое из которых было открыто в 1975 году в г. Купертино (Калифорния, США), где в 1979 году была основана компания NDK America Inc. Первое зарубежное производство компания начала в 1986 году на заводе в штате Селангор (Малайзия), в настоящее время – NDK Quartz Malaysia Sdn. Bnd.

В 2002 году основан производственный филиал NDK Crystal, Inc. в г. Белвидир (штат Иллинойс, США) по производству синтетического кварца в автоклавах высокого давления.

В настоящее время компания располагает семью производственными подразделениями (4 в Японии, 2 в Малайзии, 1 в КНР) и четырьмя дизайн-центрами в Японии. Девятнадцать офисов продаж представляют интересы компании в различных странах мира. Предприятия компании сертифицированы по стандартам ISO9001, ISO/TS16949, ISO14001, ISO/IEC17025.

В настоящее время NDK занимает вторую позицию на рынке частотозадающих компонентов, но в ближайшем будущем планирует повысить свою позицию за счет укрепления своих позиций на рынке базовых станций, оптической связи, для которых необходимы такие продукты, как высокочастотные кварцевые генераторы, управляемые напряжением, и термостатированные генераторы и ПАВ-фильтры.

Высокие качественные характеристики кварцевых компонентов компании получили заслуженное признание у ведущих производителей прецизионных приборов и оборудования. NDK является первой компанией, получившей в 1978 году одобрение Национального агентства по исследованию космоса NASDA (в настоящее время JAXA) в качестве официального поставщика кварцевых изделий для космической промышленности Японии.

Компоненты NDK используют и отечественные разработчики ответственных приложений, например, в модулях приемников GPS/ГЛОНАСС ML8088 компании НАВИА, выполненных на базе чипсета STA8088F компании ST Microelectronics, применены термокомпенсированный кварцевый генератор TCXO и кварцевый резонатор от компании NDK.

Линейка продукции NDK

В спектр предлагаемой NDK продукции входят такие продукты, как:

• Кварцевые резонаторы (Crystal Units) – отдельные кварцевые резонаторы и модули со встроенными датчиками температуры на номинальные частоты от 4 МГц до 150 МГц, а также низкочастотные резонаторы на частоту 32768 Гц.
• Тактовые генераторы (Crystal Clock Oscillator) – кварцевые генераторы, состоящие из кристалла и простого генератора, выпускаются на частоты в диапазоне 1,5–125 МГц, а также на частоту 32768 Гц.
• SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы на высокие частоты в диапазоне 62,5 – 313 МГц с допустимыми отклонениями частоты ±(25–100)х10^-6.

• TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) – термокомпенсированные кварцевые генераторы.

• VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillators) – кварцевые генераторы, управляемые напряжением, в приборы этого типа интегрированы варикапы, обеспечивающие перестройку частоты генераторов.

• FCXO (Frequency Controlled Crystal Oscillator) – модули переноса частоты, или кварцевые генераторы, синхронизируемые внешними источниками.

• Прецизионные термостатированные генераторы OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), TwinOCXO (Twin-Oven Controlled Crystal Oscillator) и Twin-DCXO (Twin-Digital Controlled Crystal Oscillator).

• Кварцевые фильтры (Crystal Filter) – в данную категорию входят приборы на номинальные частоты 10,7 МГц, 21,4 МГц, 21,7 МГц, 45 МГц, 70,05 МГц, 90 МГц с различными полосами пропускания.
• ПАВ-фильтры (SAW Device) – широкая номенклатура фильтров на поверхностных акустических волнах под различные целевые назначения приборов: аппаратура для цифрового наземного телевидения, базовых станций WCDMA, беспроводных телефонов, беспроводных приборов для учета энергопотребления, систем дистанционного управления автомобильным оборудованием и других приложений.
• Синтетические кварцы/кварцевые бланки/оптические компоненты (Synthetic Quartz Crystal/Crystal Blank/Optical Component) – кварцевые кристаллы, кварцевые пластины из монокристаллов (Crystal Blank) и оптические компоненты, такие как оптические фильтры нижних частот OLPF.
• Синтезаторы частоты (Frequency Synthesizer) – компания выпускает встраиваемые синтезаторы частоты для оборудования систем цифрового наземного телевидения, микроволновой аппаратуры радиосвязи, измерительных приборов, базовых станций систем мобильной связи, систем ШПД и других ответственных приложений.
• Зонды для ультразвуковых сканеров и преобразователи (Ultrasonic probe/Transducer) – компания выпускает ультразвуковые зонды различных форм (линейные, секторные и выпуклые зонды, матричные модули) для работы в диапазонах от 2,5 МГц до 12 МГц. Приборы могут использоваться для 2D- и 3D-визуализации в медицине и здравоохранении. Приборы производятся в соответствии с требованиями международного стандарта ISO13485 2008, определяющего систему менеджмента качества медицинских устройств. Компания может производить приборы по специальным требованиям заказчиков.
• Биодатчики для QCM (Quartz Crystal Microbalance) систем – датчики микровесов (QCM Sensor) являются инструментом для измерения массы, принцип работы которого основан на зависимости частоты колебаний кварцевого резонатора (датчика QCM) от количества вещества, нанесенного на его поверхность. QCM-системы получили широкое распространение в биохимии, например, для распознавания антител и фрагментов ДНК.

Тесты осцилляции схем

NDK активно сотрудничает с производителями микроконтроллеров, различных чипсетов и модулей, а также ведет постоянную тесную работу с конечными заказчиками, применяющими в своих изделиях различные чипсеты и кварцевую продукцию. Свой опыт производства кварцевых продуктов, а также опыт сотрудничества с производителями чипсетов и модулей NDK готов предлагать своим заказчикам для облегчения их работы по подбору компонентов для своих изделий. NDK располагает двумя лабораториями – одна в Японии на базе фабрики в г. Саяма и другая в Германии в г. Зинсхайме, где в сотрудничестве с крупнейшими производителями микропроцессоров и чипсетов проводит большую работу по проведению испытаний, направленных на достижение наилучшей совместимости кварцевых компонентов NDK с микросхемами ведущих производителей (IC matching test).

Кварцевые резонаторы, подключаемые к различным микросхемам, микропроцессорам, БИС/СБИС (LSI/VLSI), в некотором смысле являются «дирижерами», управляющими многими тысячами логических элементов, поэтому качество совместной работы микросхем и подключаемых к ним резонаторов имеет важное значение для работы всего устройства (прибора, системы) в целом.

Для обеспечения стабильной работы на заданных частотах внутренних тактовых генераторов микросхем с внешними кварцевыми резонаторами необходим правильный выбор номиналов внешних компонентов, в общем случае подключаемых к резонатору по схеме, приведенной на рис. 10. Показанные на схеме инвертирующий усилитель и буфер являются внутренними элементами микросхем. В ряде случаев резистор Rf может не устанавливаться, а вместо резистора Rd устанавливаться перемычка, иногда не требуется установка и конденсаторов на входе или выходе генератора. При работе в штатном режиме кварцевый резонатор и конденсаторы образуют П-образный фильтр, обеспечивающий фазовый сдвиг 180°, необходимый для запуска генератора на частоте, определяемой резонатором (так называемая схема генератора Пирса).

При проведении тестов на совместимость микросхем компания NDK экспериментально определяет параметры, имеющие важнейшее значение для стабильного запуска и функционирования кварцевого резонатора в составе конкретных микросхем при определенных условиях.

Рассмотрим эти параметры более подробно:

• Отрицательное сопротивление (-R) всей схемы генератора, включая значения емкостей конденсаторов, параметры кварцевого резонатора и цепи, реализованной на кристалле микросхемы. Это отрицательное сопротивление должно быть в несколько раз больше эквивалентного последовательного сопротивления кварцевого резонатора (Rs или ESR). При нарушении данного соотношения генератор не будет работать в заданном режиме или может вообще не заработать. Отрицательное сопротивление схемы можно получить, включив резистор последовательно с кварцевым резонатором (Rd на рис. 10). Пороговое значение, при котором запуск генератора становится невозможным, приблизительно равно отрицательному сопротивлению схемы. Схема стенда, используемая NDK для этой цели, приведена на рис. 11 а), б), пробник в виде открытого про-водника небольшой длины используется для исключения влияния на генератор измерительной схемы. Типовая зависимость отрицательного сопротивления схемы от емкостей конденсаторов генератора при Rd=1 кОм, Rf=1 МОм приведена на рис. 12 (по материалам NDK).

• Изменение частоты генерации (Frequency Deviation, FD). Схема стенда для измерения частоты кварцевых генераторов приведена на рис. 13, измерения также производятся без контакта с элементами схемы и при изменении напряжения питания в заданных заказчиком пределах. Величину отклонения частоты генерации от номинальной частоты кварцевого резонатора представляют в относительных единицах – + или – ∆f/f_ном.х10^-6.
• Мощность возбуждения (Drive Level DL). При мощности возбуждения (рассеяния), превышающей максимально допустимую, в выходном сигнале кварцевого генератора могут появляться побочные излучения, возможны перескоки частоты генерации, а также может ухудшаться стабильность частоты генерации. Чтобы определить мощность рассеяния, необходимо измерить величину тока в цепи кварцевого резонатора. Схема стенда, используемая NDK для измерения тока, приведена на рис. 14, по осциллографу определяют размах тока в цепи кварцевого резонатора, затем по формуле Irms=Ip-p/2√2 вычисляют действующее значение тока, мощность определяется формулой P=Irms2 Rload (мкВт), где Rload– сопротивление на переменном токе в цепи резонатора. Сопротивление Rload зависит от параметров резонатора, величин емкостей схемы и сопротивления Rd (см. рис. 10), типовая зависимость мощности рассеяния от емкостей схемы приведена на рис. 15.

Как уже было сказано, в лабораториях NDK постоянно проводится ряд тестов по определению типов кварцевых резонаторов, в наибольшей степени подходящих для использования совместно с микропроцессорами и БИС основных серий таких компаний, как STM, TI, Microchip, NXP, Renesas и др.

В результате NDK имеет и готовы предоставлять своим клиентам данные по одобренным и рекомендованным компонентам NDK для работы с теми или иными чипсетами и модулями.

Также NDK предлагает своим клиентам провести тесты плат заказчика в своих лабораториях, на основе которых NDK даст свои рекомендации по работе чипсета и частотозадающих элементов в конкретной схеме заказчика.

Заключение

Компания NDK на сегодняшний день занимает лидирующие позиции среди всех мировых производителей компонентов управления частотой, в том числе первое место по производству TCXO и кварцевых резонаторов для автомобильного рынка. Компания выполняет полный спектр работ – от выращивания кристаллов для резонаторов до проектирования, разработки и производства, что позволяет ей предлагать массовую продукцию по лучшим ценам, а специальные изделия для ответственных приложений – по требованиям заказчиков в минимальные сроки.

Для клиентов компания предоставляет бесплатные образцы продуктов, полную техническую поддержку, в том числе рекомендации по выбору компонентов, опираясь на свой богатый опыт, а также услуги по проведению тестов в своей лаборатории на совместимость микросхем и кварцевых резонаторов на платах клиентов.

Компания «ПТ Электроникс» является официальным дистрибьютором NDK на территории РФ и Украины. Получить техническую поддержку по выбору, использованию компонентов NDK, а также заказать бесплатные образцы и продукцию NDK Вы можете, обратившись в офис компании или на passive@ptelectronics.ru

Юрий Петропавловский
Статья опубликована в журнале «Вестник Электроники» №3 2014.