| |
Джин Хефтман
Кварцевая индустрия: новые технологии и разработки
Новейшие достижения проводных и беспроводных систем коммуникаций заставляют развивать технологии производства кварцевых резонаторов, совершенствовать их конструктивное исполнение и снижать стоимость.
Старая пословица гласит: “Точность — вежливость королей” (дословно: В жизни всё по часам). Эта пословица особенно актуальна в мире электронных коммуникаций, так как именно здесь для правильного функционирования оборудования необходимо наличие высокостабильных опорных частот и сигналов синхронизации. Сердцем любой телекоммуникационной системы, начиная с проводных сетей на основе асинхронного режима передачи данных (ATM) и заканчивая беспроводными локальными сетями (WLAN), служит прецизионный генератор на кварцевом резонаторе, поддерживающий его биение в постоянном заданном ритме. Кварц или кристалл диоксида кремния (SiO2), получаемый растворением его в щелочи при высокой температуре и давлении, является одной из нескольких кристаллических структур, которые могут поддерживать колебания в системах за счёт пьезоэлектрического эффекта, при котором механические напряжения в веществе создают разность электрических потенциалов и наоборот. Источники сигналов на кварцевых резонаторах широко используются в качестве опорных генераторов, так как они могут обеспечить очень высокую температурную стабильность частоты — малый дрейф относительно центральной частоты в широком температурном диапазоне — при весьма умеренной стоимости. Другие материалы, такие как цезий и рубидий, обеспечивают более высокую точность и меньший временной уход частоты, но высокая стоимость является главным препятствием для их широкого применения, за исключением наиболее ответственных систем синхронизации в навигационном, измерительном и калибровочном оборудовании, а также в спутниках связи.
Быстрое распространение различных проводных и беспроводных систем связи даёт плодородную почву для развития рынка кварцевых устройств. По оценкам компании Allied Business Intelligence (ABI, Ойстер-Бей, штат Нью-Йорк), занимающейся исследованием рынка изделий на основе кварцевых резонаторов, в период между 1997 и 2002 годами наблюдался и ожидается его стабильный рост на уровне 7% в год, основывающийся на ожидаемом развитии рынка беспроводных систем связи. Доходы в этой отрасти индустрии вырастут с 2,3 млрд. долларов прошлом году до 3,3 млрд. долларов в 2002 году, и эти оценки не учитывают сумму от 1 до 2 млрд. долларов, которые получат производители оригинального оборудования за счёт создания генераторов для их собственного внутреннего использования. С другой стороны, массовый серийный выпуск такой аппаратуры, как мобильные телефоны и базовые станции, будет оказывать определённое давление на компании, заставляя их производить высококачественные, но дешёвые кристаллы и генераторы. Разработчики оборудования теперь хотят иметь компоненты, работающие на более высоких частотах, имеющие меньшие габаритные размеры и большую стабильность частоты. Компоненты эти, кроме того, должны быть более надёжными, дешёвыми и иметь меньшие сроки изготовления и поставки. В дополнение к этому, американские производители кварцевых резонаторов испытывают жёсткий прессинг со стороны конкурирующих азиатских компаний, которые предлагают более дешёвую продукцию. По словам Терри Луксмора, менеджера по коммерческим разработкам компании CTS Reeves Frequency Products (Сендвич, штат Иллинойс), в этом нет ничего удивительного, так как в условиях глобального рынка, где все конкурируют, всегда найдется проигравший, а снижение цен действительно связано с экономической ситуацией в азиатских странах, а также ещё и с тем, что сама электронная промышленность становится всё более и более эффективной.
Чтобы наилучшим образом соответствовать новым техническим и ценовым запросам потребителей, производители устройств на основе кварцевых резонаторов ввели ряд новшеств, результатом которых стали новые и быстрые технологические процессы, меньшие габариты и стоимость компонентов.
Перспективы мезаструктур
Для многих современных систем, таких как сотовые системы связи и синхронные оптические сети (SONET), которые работают на частотах от сотен до тысяч МГц, необходимы кварцевые резонаторы и генераторы, имеющие намного большие резонансные частоты, чем в традиционном оборудовании. Вторым требованием является то, что эти более высокочастотные компоненты должны работать главным образом с сигналом основной частоты, а не с его кратными гармониками. Чтобы удовлетворить этим двум требованиям, промышленность производит кристаллы по относительно новой технологии инвертированных мезаструктур.
Кристалл с инвертированной мезаструктурой представляет собой специальным образом обработанную кварцевую подложку (рис. 1), которая работает в основном режиме на более высоких частотах по сравнению с обычными устройствами — от 50 до 250 МГц. Для сравнения: традиционный технологический процесс механической шлифовки кристалла позволяет изготавливать устройства, работающие на частотах 30–40 МГц. Технология инвертированных мезаструктур использует метод химического травления, позволяющий выборочно удалить кварц из центра подложки и получить по её краям несколько утолщённую кольцеобразную зону. Чем тоньше центральная часть, тем выше фундаментальная резонансная частота кристалла. Центральная тонкая область обеспечивает резонанс на высокой частоте, а внешнее кольцевое утолщение облегчает монтаж кристалла.
Рис. 1. Технология инвертированных мезаструктур является самой современной технологией обработки кварцевых кристаллов для получения высокочастотных (с основной частотой до 200 МГц) резонеторов. Высокая резонансная частота определяется толщиной центральной области кристалла
В настоящее время инвертированные мезаструктуры проходят испытания на прочность. По мнению производителей, например, представителей компании CTS Reeves Frequency Products, разработанные ими мезаструктуры выдерживают механические удары с ускорением 2000g, в то время как кристаллы, изготовленные по традиционной технологии, разрушаются при нагрузках 1000g.
Большинство инвертированных мезаструктур используют кристаллы с элементами AT-среза — наиболее широко применяемый тип кристаллов, как в химическом (меза), так и в механическом технологическом процессах. Такие кристаллы предлагают температурно-частотные характеристики (рис. 2), обеспечивающие наименьший температурный уход частоты для большинства приложений при достаточно низкой стоимости. Типичные температурно-частотные характеристики для кристаллов с элементами AT-среза лежат в пределах ±50 или ±25 PPM Df/f0 в диа-пазоне температур от -10 до +60°C. Точки, где температурный коэффициент равен нулю, известные как точки поворота, резко зависят от угла среза кварцевого элемента. Положение такой точки может быть изменено за счёт подбора угла среза (на рис. 2 это температура +25°C), который устанавливает вторую точку поворота в диапазоне приблизительно от +20 до +30°C.
Рис. 2. Резонаторы с элементами АТ-среза являются наиболее популярными кварцевыми свойствами, так как они предлагают оптимальную комбинацию температурно-частотных характеристик для различных приложений
В то время как технология инвертированных мезаструктур обеспечивает превосходные характеристики по сравнению со стандартными процессами, она требует большего количества этапов производства, что увеличивает конечную стоимость кварцевого резонатора или генератора. А увеличение цены изделий, поставляемых крупными партиями, в условиях жёсткой рыночной конкуренции абсолютно недопустимо. Чтобы снизить затраты на производство, компания Saronix недавно разработала собственный технологический процесс изготовления инвертированных мезаструктур, названный TmT (Tabmesa Technology). С помощью него можно изготавливать кристаллы, подобные инвертированным мезаструктурам и работающие в основном режиме на частотах до 200 МГц. Отличие заключается в том, что кристаллы выпускаются партиями, подобно тому, как это происходит при производстве интегральных микросхем, что позволяет значительно снизить конечную стоимость каждого отдельного кристалла. За один раз изготавливаются 130 резонаторов, размещённых на одной подложке размером 1х2 дюйма. В результате этого отдельные кристаллы получаются с меньшими габаритами, а значит, конечные изделия могут быть изготовлены в корпусах меньшего размера.
Снижение габаритов
Фактически во всех видах электронного оборудования — проводных и беспроводных системах связи, компьютерах, измерительной технике — требуется снижение габаритов компонентов, поэтому кварцевая промышленность акцентирует своё внимание на этой проблеме. Размер корпуса напрямую зависит от типа и размеров кварцевого резонатора или генератора и вспомогательных компонентов, располагающихся в его корпусе. В общем случае, отдельный кварцевый резонатор имеет меньшие габариты, чем любой кварцевый генератор, а термостатированные кварцевые генераторы (OCXO) имеют максимальные габариты, по сравнению с управляемыми напряжением (VCXO) или температурой (TCXO) приборами вследствие их большей сложности и более дорогой вспомогательной схемы. Тем не менее, уже сейчас габариты этих устройств достаточно малы, и они будут продолжать уменьшаться в будущем.
Рис. 3. Тенденция снижения габаритных размеров кварцевых генераторов наглядно иллюстрируется эволюцией кварцевых ГУН (VCXO) производства компании Champion Technologies
За последнее время кварцевые ГУН (VCXO) прошли путь развития от больших металлических корпусов с двухрядным расположением выводов (DIL) до современных плоских и элегантных керамических корпусов для поверхностного монтажа. Как видно из рис. 3, компании Champion Technologies (Франклин-Парк, штат Иллинойс) удалось значительно снизить площадь и объём своих генераторов серии CMV (рис. 3в) по сравнению с устройствами K1526AA/DA (рис. 3a) и KA1526CA/BA (рис. 3б). Для монтажа устройства CMV, например, на плате потребуется вдвое меньшая площадь, чем для устройства K1526AA/DA, и это при том, что высота отличается более чем в два раза (1,8 мм для CMV против 3,89 мм для K1526AA/DA). Все три устройства предназначены для работы в таких приложениях, как системы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), системы восстановления синхронизации после сбоя, синтезаторы частоты, системы слежения за сигналом. Рабочая частота этих устройств лежит в пределах от 2 до 52 МГц, температурная стабильность составляет ±25 PPM в диапазоне температур от -40 до +85°C, а управляющее напряжение может изменяться от 0,5 до 4,5 В.
По мнению Вэйна Фудживары, вице-президента по новым технологическим и коммерческими разработкам компании Champion Technologies, “клиенты, занимающиеся производством различных проводных и беспроводных систем связи, всегда требовали, чтобы, во-первых, наши изделия имели конструктивное исполнение для поверхностного монтажа и, во-вторых, имели более прочный и защищённый корпус. Наши новые кварцевые резонаторы для поверхностного монтажа, выполненные в многослойном керамическом корпусе со сварной металлической крышкой, обеспечивающей герметичность и защищающей кристалл от воздействия окружающей среды, были встречены клиентами с большим одобрением”.
Так как затраты на производство и стоимость компонентов являются превалирующими характеристиками при массовом серийном производстве аппаратуры, например, мобильных телефонов, одним из важнейших требований к изготовителям кварцевых устройств является снижение стоимости их изделий. В прошлом, самыми дешёвыми были устройства, выполненные в металлостеклянном корпусе, которые и сейчас всё ещё находят применение в аппаратуре низкого класса. Пластмассовый корпус, где генератор объединён с конденсатором и соответствующей схемой на несущей рамке, а затем залит пластиком, является другим дешёвым конструктивным исполнением. Однако, последнее слово остается за габаритными размерами, и компания Saronix недавно представила свои изготовленные по технологии TmT резонаторы HFX-7, работающие на основных частотах до 250 МГц и выполненные в керамическом корпусе с размерами всего 5ґ7 мм и максимальной высотой 1,15 мм (рис. 4). А корпорация Valpey-Fisher (Хопкинсон, штат Массачусетс) со своими устройствами серии VF194/294 претендует на выпуск самого маленького в мире кварцевого ГУН (VCXO). Эти гибридные микросхемы с управлением на основе элементов с тремя состояниями выполнены в безвыводном керамическом корпусе (LCC) с шестью контактами с размерами всего 5,08x7,62 мм и высотой 2,2 мм могут успешно применяться в качестве генераторов в таких приложениях, как сети SONET, xDSL, базовые станции и локальные беспроводные сети (WLAN).
Рис. 4. Эти кварцевые резонаторы с элементами АТ-среза серии HFX7 производства компании SARONIX, выполненные в керамическом корпусе, изготовлены по технологии TmT - собственной версии технологии инвертируемых мезаструктур
Шумовые проблемы
До появления технологии меза-структур разработчики систем должны были или ориентироваться на низкую основную частоту, или использовать, например, её третью гармонику для получения более высокой частоты. По словам Тода Рафаэли, менеджера по продуктам корпорации Raltron Electronics (Майами, штат Флорида), “раньше вы должны были взять основную частоту или её третью гармонику и умножать её до нужного значения. Но умножение частоты приводит к увеличению уровня фазовых шумов, а в современных системах наличие вы-сокого фазового шума и дрожания фазы недопустимо. Инвертированные мезаструктуры позволяют получить более высокие частоты и отказаться от умножения”.
Фазовый шум представляет собой параметр, характеризующий кратковременную нестабильность частоты, выражающуюся как мощность в полосе пропускания 1 Гц при определённой отстройке от несущей частоты. Фазовый шум выражается в единицах дБс (dBc, децибел от несущей). Дрожание фазы, с другой стороны, тесно связано с цифровыми системами передачи данных и характеризует кратковременную нестабильность частоты и показывает, как изменения фазы могут стать причиной флуктуаций точки перехода через ноль сигнала несущей. Это полезно при работе с цифровыми сигналами, так как позволяет достато-чно точно определить момент перехода фазы. Величина дрожания фазы может быть рассчитана по формуле, использующей измерения фазового шума при разных отстройках от несущей.
Шумовые характеристики, габаритные размеры корпуса и цена продолжают быть ключевыми переменными, в совокупности определяющими популярность того или иного кварцевого резонатора или генератора. Корпорация Raltron Electronics концентрирует свои усилия на снижении размеров и стоимости своих кварцевых устройств диапазона от 12 до 50 МГц, которые сейчас имеют размеры 8х4,5 мм, но что более важно, высоту всего 1,6 мм (рис. 5). Устройства H-160A специально разработаны для соответствия требованиям высокоплотного монтажа, используемого в дисководах различных типов, модемах, картах PCMCIA, периферийных устройствах и других портативных изделиях. Они выполнены в керамическом герметичном корпусе, изготовленном без использования эпоксидных смол, и при больших партиях стоят менее $0,50.
Рис. 5. Плоский резонатор H-160A, работающий в основном режиме, производства компании Raltron Electronics является самым малогабаритным кварцевым устройством, идеально подходящим для различного оборудования от компьютерной периферии до портативных телефонов
Низкое значение дрожания фазы является ключевой характеристикой серии кварцевых генераторов VFAC570 производства компании Valpey Fisher. Имеющие дрожание фазы, не превышающее 1 пс, эти устройства могут иметь частоту до 200 МГц. Стандартным изделием является гибридный кварцевый генератор с частотой 125 МГц, работающий от источника питания 3,3 или 5,0 В и совместимый с устройствами, выполненными по передовой КМОП (ACMOS) и ТТЛ-технологии (рис. 6).
Рис. 6. Высокая точность и чрезвычайно низкое дрожание фазы, необходимые для быстродействующих электронных схем - сильная сторона этого гибридного кварцевого генератора на 125 МГц производства компании Valpey Fisher
Компания Micro Networks (Уорцестер, штат Массачусетс) предлагает на рынок семейство прецизионных тактовых генераторов с рабочей частотой от 300 МГц до 1 ГГц, предназначенное для применения в быстродействующих компьютерах, телекоммуникационных системах и автоматизированном измерительном оборудовании. Устройства M101 и M201/211, предназначенные для использования в качестве задающих тактовых генераторов и умножителей частоты, выполненные в металлическом DIP-корпусе удвоенной ширины с 24 выводами, достаточно велики по сравнению с другими генераторами. Однако, они чрезвычайно стабильны и имеют очень низкие фазовые шумы (типичное значение дрожание фазы — 3 пс), что обеспечивает им высокую точность поддержания опорной частоты. Вообще, генераторы этой категории имеют несколько большие габаритные размеры и стоимость, чем их менее стабильные и более шумящие собратья, вполне подходящие для не столь высокоточных приложений.
Стоит отметить также серию кварцевых генераторов с двойным термостатированием (OCXO) производства компании Vectron International (Норуолк, штат Коннектикут). Устройство CO-330, например, предлагает долговременную нестабильность частоты в среднем 5х10-11 в день (3х10-7 более чем за 20 лет) при температурной нестабильности частоты ±1х10-10 в диапазоне температур от 0 до +70°C в течение 24 часов. Устройство выполнено в корпусе с габаритными размерами 50,8x50,8x38,3 мм и предназначено для сверхстабильных приложений, таких как системы глобального позиционирования (GPS) и цифровые системы связи. Для систем, где требуется меньшая, но всё же высокая стабильность, компания Vectron предлагает серию термостатированных кварцевых генераторов (OCXO), выполненных в плоских DIP-корпусах c 4 выводами с долговременной нестабильностью менее 3x10-9 в день и температурной нестабильностью ±5x10-8 в диапазоне от 0 до +50°C. Модель CO-770, выполненная в DIP корпусе, имеет размеры 12,7x20,3x8,9 мм и может иметь основную частоту от 10 кГц до 24 МГц.
Рис. 7. Термостатированные кварцевые генераторы (ОСХО), как правило, занимают много места, но модель 108 производства компании CTS Reeves Frequency Products занимает всего две трети кубического дюйма. Более того, она выполнена в корпусе, предназначенном для поверхностного монтажа
Другим примером снижения габаритных размеров термостатированных кварцевых генераторов является модель 108 производства компании CTS Reeves Frequency Products (рис. 7). Генератор имеет температурную нестабильность в пределах от ±1х10-7 до ±5х10-9 и долговременную нестабильность в течение первого года от ±0,50 до ±0,05 PPM. По словам представителя компании CTS Reeves Тэрри Люксмора, “в ближайшее время компания наладит выпуск дешёвых термостатированных генераторов, и разница цен между OCXO и TCXO заметно снизится. В отдельных случаях управляемые температурой генераторы могут быть даже дороже, чем термостатированные”.
Microwaves & RF, ноябрь 1998 г.
|
