村田的谐振器用IC匹配服务 为整机的小型化和性能提高做贡献

村田从30多年以前起就为IC(集成电路)厂商和使用IC的家电和车载电子装备厂商提供陶瓷振荡子的IC匹配服务。我们每月都能接到数百件的评估订单,为减少客户的整机评估工时做着自己的贡献。此外,我们还从2008年起开始了晶体谐振器的IC匹配服务,也可以向对频率精度要求更高的通信设备市场提供服务。

根据使用谐振器的市场不同,要求的IC匹配也不同。在此,我们介绍一下IC匹配的内容。

1. 什么是谐振器用IC匹配

谐振器是与内置振荡电路的IC组合使用的。此IC的振荡电路中内置有逆变器等反相放大电路,每个IC的内置逆变器特性各不相同。此外,还存在着客户设计的基板的状态、谐振器的特性、IC施加电压等造成变动的要因。这些要因可能会造成图1这样的异常振荡。发生异常振荡时,整机会无法正常工作。为了防止类似问题发生,村田从客户处借来安装有IC的基板,进行IC匹配的评估。

此外,IC匹配的另一重要目的是校准振荡频率。在USB/CAN等有线通信中和BLE/Wi-Fi等无线通信中为确保通信品质,对每个规格都规定有必要的频率精度。代表性的通信规格的必要频率精度如表1所示。我们从客户处借来正在开发的评估板,通过确认每个模型的正确振荡频率来决定最佳的振荡电路常量和产品规格。这些评估服务就叫做IC匹配。

图1. 振荡异常的例子

图1.振荡异常的例子

通信规格 必要频率精度
CAN ±3000 ppm以内
USB2.0 ±500 ppm以内
USB3.0 ±300 ppm以内
SATA ±350 ppm以内
NFC ±500 ppm以内
BLE ±50 ppm以内
Wi-Fi ±20 ppm以内

表1. 按通信规格分类的必要频率精度

2. 按商品分类和按市场分类的IC匹配服务

谐振器有陶瓷和石英晶体两种。村田在30多年以前将陶瓷振荡子以CERALOCK的名称进行了商品化,现在的世界市场份额仍然高达70%。尤其在车载市场的份额最高,是世界份额的90%。图2表示陶瓷振荡子的评估电路图。在将向IC施加的电压和温度设为可变的同时,确认振荡幅度、振荡波形、振荡裕量及其他,决定最适合的电阻值和电容值。图3是陶瓷振荡子的评估结果一览。村田认为重要的不仅是振荡电路能否正常工作,IC是否稳定工作也是需要知道的,所以在面向电子装备市场的振荡子判定基准中设定了产品低端极限品的最低振荡幅度一项,将测定结果报告客户。

接下来我们用三个服务事例来说明我们是如何不仅测定振荡电路的稳定性,还测定整机的性能和电气特性的。首先,第1个例子是在硬盘和光驱等电脑上使用的晶体谐振器的USB通信品质测试结果(图4)。支持USB和SATA通信的设备为取得其通信认证必须实施信号品质测试。村田通常除了IC匹配数据以外还会取得USB和SASTA通信的信号品质的确认数据等一并提交。这样,我们为减少客户自己评估时的工时做出了贡献。

第2个例子,我们从2014年开始批量生产Wi-Fi等的射频市场用的高精度晶体谐振器,进行要求总频率精度在±20ppm以下设备的IC匹配服务。射频市场以智能手机等电池驱动的组装产品为主流,组装产品厂商和IC厂商为了让电池尽可能用得久一些而在短时间工作的低耗电化上下力气。图5显示BLE模块中的μS时标的消耗电流的测定结果。BLE厂商和IC厂商以这些数据为参考来决定他们使用多少频率或多大尺寸的晶体谐振器。

第3个例子是Wi-Fi用EVM的测定服务。EVM是无线信号调制精度的参数,EVM值越好,无线的通信品质就会越好。图6显示EVM的测定结果。现在,我们在探讨通过谐振器参数改善EVM,同时探讨能否用振荡电路常量来降低EVM。此外,能改善EVM的谐振器参数也逐渐被探明,我们已经将这些参数应用到新商品的规格中。

图2. 陶瓷振荡子评估电路

图2. 陶瓷振荡子评估电路

图4. 晶体谐振器USB信号品质测试结果

图4. 晶体谐振器USB信号品质测试结果

特性
测定值
标准
振荡电压

(Vset=13.5V,25deg.C)
(Vcel=2.1V)

Vcel表示振荡电路的电压
典型样本
VIH 2.2 [V] ≤2.4V
VIL -0.2 [V] ≥-0.3V
VOH 2.1 [V]
VOL -0.3 [V]
R1极限样本
Vlp-p 1.9 [V] ≥0.4 x Vcel ( ≥0.84V)
VOp-p 1.9 [V]
振荡起始电压
(-40 to +85deg.C)
典型样本
3.7 [V] ≤8.0 [V]
R1极限样本
3.7 [V]
振荡起动时间
(Vset下典型样本=13.5V,25deg.C)
3.06 [ms]
振荡频率相关(参考值)
(Vset下典型样本=13.5V,25deg.C)
无频移
振荡裕量
(Vset下=13.5V,25deg.C)
Rs_max
[ Ω ]
计算电阻
[ Ω ]
比值
[倍数]
240 62 3.9

图3. 陶瓷振荡子测定结果

图5. 短时间内的消耗电流测定结果

图5. 短时间内的消耗电流测定结果

图6. Wi-Fi模块上的EVM测定结果

图6. Wi-Fi模块上的EVM测定结果

3. 强化在海外的IC匹配服务

目前,来自海外整机厂商的IC匹配评估的比例大约为40%。如果今后高精度晶体谐振器的评估增加,估计比重还会加大。

不过,海外客户向日本村田递送评估用基板时需要办理出口手续,而且过海关和日本国内国外的移动最少也需花费两天以上时间。我们已经发现,有客户出于这个原因而放弃委托村田并选择了当地的同行厂商。于是我们为了增加IC匹配业务,积极在海外据点开展IC匹配评估业务。首先从2012年开始,我们在中国的上海实验中心开办了陶瓷振荡子和晶体谐振器的IC匹配评估业务。通过与公司内相关部门合作,当地的评估工作员工直接与客户的设计者用汉语联系,力求把握客户的需求并缩短评估所用工期。

今后我们还在探讨在其他地区创办IC匹配实验室的可能性。当然,对于不能借给我们基板的客户,我们将继续从日本出差去进行IC匹配服务。

用语解释

SATA: Serial ATA的简称。连接电脑和硬盘、光驱等存储器的标准的扩展规格之一。
BLE: Bluetooth Low Energy的简称。在2.4GHz频段无需执照的、使用小功率电波的无线通信方式。
EVM: Error Vector Magnitude的简称。表示数字信号的调制精度。

阅览更多

Application Note