晶體老化和提高系統(tǒng)性能的技巧
來源：http://www.sdyoujian.cn 作者：億金電子 2019年06月14
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頻率控制設(shè)備或振蕩器的最常見配置之一是調(diào)節(jié)電壓以維持系統(tǒng)內(nèi)的頻率鎖定的配置.在這些類型的系統(tǒng)中,與振蕩器相關(guān)的頻率誤差會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響.在最極端的情況下,當(dāng)無法維持良好的頻率鎖定時,它實際上可能導(dǎo)致完整的系統(tǒng)故障.
但是這個頻率誤差的主要原因是什么？我們應(yīng)該在振蕩器中尋找什么以確保高水平的系統(tǒng)性能？
有四種主要因素會導(dǎo)致振蕩器出現(xiàn)頻率誤差.晶體老化、頻率與溫度、頻率與供應(yīng)、頻率與負(fù)載.
在這四種因素中,晶體老化是最常見的失效模式之一.很明顯,晶振晶體老化用于描述由于環(huán)境或晶體本身的變化而隨時間發(fā)生的長期頻率變化.適應(yīng)性在開始時會變化得更快,但最終他們會得到解決.
有兩種類型的晶體老化,積極老化和消極老化.當(dāng)污染物被驅(qū)出石英晶體時會發(fā)生正老化.相反,當(dāng)污染物被驅(qū)入石英晶體時會發(fā)生負(fù)老化.那么如何測量晶振晶體老化,以及頻率控制專家正在采取哪些措施來確保它不會成為系統(tǒng)中的問題？
與晶體老化相關(guān)的性能要求維持在美國政府公布的軍用規(guī)格上.滿足老化要求的典型工藝是對石英晶體振蕩器進(jìn)行燃燒,將部件放入老化系統(tǒng),每天測量多次,然后繪制這些測量值并與晶體老化的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較.使用這些測量,頻率控制制造商可以在長達(dá)20年甚至更長的系統(tǒng)的整個壽命期間預(yù)測其設(shè)備的老化率.
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有許多因素會影響晶體的老化速度.其中最主要的是密封在諧振器封裝內(nèi)的污染物的數(shù)量.可以想象,在振蕩器封裝內(nèi)部,電氣連接,機(jī)械連接和晶體空白本身之間存在多個接口邊界.這些界面中的每一個都是將新污染物引入包裝的機(jī)會.在構(gòu)成諧振器本身的材料中可以找到潛在的放氣或污染源.
事實上,晶振密封包裝的行為也會引入不需要的污染源.例如,石英是吸氣劑并且容易吸收水分.當(dāng)然,濕氣對真空密封包裝是非常不利的.因此,在高質(zhì)量頻率控制裝置的制造過程中嚴(yán)格控制濕度.避免過量水分的一些常見步驟包括在氮氣干燥箱中儲存和處理組件,氫氣燒制,以及在高真空和高溫下密封最終諧振器.
例如,在BG61石英晶體振蕩器,其上目前正在探索冥王星新地平線太空船飛行,將晶體高溫真空下在高真空下被密封之前保持約一個星期.BG61有源晶體振蕩器被公認(rèn)為世界上最穩(wěn)定的水晶!
那么設(shè)計師可以做些什么來使產(chǎn)品免受晶體老化的負(fù)面影響？
一種反直覺的設(shè)計方法是減少振蕩器所需的溫度范圍.常見的系統(tǒng)工程方法是在組件選擇中建立余量,以確保系統(tǒng)級性能.如果系統(tǒng)必須在-20~+70℃的溫度范圍內(nèi)工作,系統(tǒng)工程師自然會說“我要緩沖產(chǎn)品并在-40~+85℃的整個溫度范圍內(nèi)對振蕩器進(jìn)行規(guī)范”.工程師認(rèn)為他們將獲得更好的部分,因為它能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)運行.然而,這迫使頻率控制制造確保其元件必須在高達(dá)95℃的溫度下工作.這些升高的溫度將加速老化（增加頻率誤差）并降低器件MTBF或平均故障間隔時間.
億金電子提醒廣大用戶下次使用使用晶體,OCXO恒溫晶振,VCXO晶振或TCXO溫補晶振進(jìn)行設(shè)計時,請記住老化對整體時鐘性能的影響以及在設(shè)計中進(jìn)行補償?shù)姆椒?
頻率控制設(shè)備或振蕩器的最常見配置之一是調(diào)節(jié)電壓以維持系統(tǒng)內(nèi)的頻率鎖定的配置.在這些類型的系統(tǒng)中,與振蕩器相關(guān)的頻率誤差會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響.在最極端的情況下,當(dāng)無法維持良好的頻率鎖定時,它實際上可能導(dǎo)致完整的系統(tǒng)故障.
但是這個頻率誤差的主要原因是什么？我們應(yīng)該在振蕩器中尋找什么以確保高水平的系統(tǒng)性能？
有四種主要因素會導(dǎo)致振蕩器出現(xiàn)頻率誤差.晶體老化、頻率與溫度、頻率與供應(yīng)、頻率與負(fù)載.
在這四種因素中,晶體老化是最常見的失效模式之一.很明顯,晶振晶體老化用于描述由于環(huán)境或晶體本身的變化而隨時間發(fā)生的長期頻率變化.適應(yīng)性在開始時會變化得更快,但最終他們會得到解決.
有兩種類型的晶體老化,積極老化和消極老化.當(dāng)污染物被驅(qū)出石英晶體時會發(fā)生正老化.相反,當(dāng)污染物被驅(qū)入石英晶體時會發(fā)生負(fù)老化.那么如何測量晶振晶體老化,以及頻率控制專家正在采取哪些措施來確保它不會成為系統(tǒng)中的問題？
與晶體老化相關(guān)的性能要求維持在美國政府公布的軍用規(guī)格上.滿足老化要求的典型工藝是對石英晶體振蕩器進(jìn)行燃燒,將部件放入老化系統(tǒng),每天測量多次,然后繪制這些測量值并與晶體老化的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較.使用這些測量,頻率控制制造商可以在長達(dá)20年甚至更長的系統(tǒng)的整個壽命期間預(yù)測其設(shè)備的老化率.
事實上,晶振密封包裝的行為也會引入不需要的污染源.例如,石英是吸氣劑并且容易吸收水分.當(dāng)然,濕氣對真空密封包裝是非常不利的.因此,在高質(zhì)量頻率控制裝置的制造過程中嚴(yán)格控制濕度.避免過量水分的一些常見步驟包括在氮氣干燥箱中儲存和處理組件,氫氣燒制,以及在高真空和高溫下密封最終諧振器.
例如,在BG61石英晶體振蕩器,其上目前正在探索冥王星新地平線太空船飛行,將晶體高溫真空下在高真空下被密封之前保持約一個星期.BG61有源晶體振蕩器被公認(rèn)為世界上最穩(wěn)定的水晶!
那么設(shè)計師可以做些什么來使產(chǎn)品免受晶體老化的負(fù)面影響？
一種反直覺的設(shè)計方法是減少振蕩器所需的溫度范圍.常見的系統(tǒng)工程方法是在組件選擇中建立余量,以確保系統(tǒng)級性能.如果系統(tǒng)必須在-20~+70℃的溫度范圍內(nèi)工作,系統(tǒng)工程師自然會說“我要緩沖產(chǎn)品并在-40~+85℃的整個溫度范圍內(nèi)對振蕩器進(jìn)行規(guī)范”.工程師認(rèn)為他們將獲得更好的部分,因為它能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)運行.然而,這迫使頻率控制制造確保其元件必須在高達(dá)95℃的溫度下工作.這些升高的溫度將加速老化（增加頻率誤差）并降低器件MTBF或平均故障間隔時間.
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