晶體老化和提高系統性能的技巧
來源：http://m.lbfp.com.cn 作者：億金電子 2019年06月14
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頻率控制設備或振蕩器的最常見配置之一是調節電壓以維持系統內的頻率鎖定的配置.在這些類型的系統中,與振蕩器相關的頻率誤差會對系統性能產生不利影響.在最極端的情況下,當無法維持良好的頻率鎖定時,它實際上可能導致完整的系統故障.
但是這個頻率誤差的主要原因是什么？我們應該在振蕩器中尋找什么以確保高水平的系統性能？
有四種主要因素會導致振蕩器出現頻率誤差.晶體老化、頻率與溫度、頻率與供應、頻率與負載.
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境或晶體本身的變化而隨時間發生的長期頻率變化.適應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.當污染物被驅出石英晶體時會發生正老化.相反,當污染物被驅入石英晶體時會發生負老化.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中的問題？
與晶體老化相關的性能要求維持在美國政府公布的軍用規格上.滿足老化要求的典型工藝是對石英晶體振蕩器進行燃燒,將部件放入老化系統,每天測量多次,然后繪制這些測量值并與晶體老化的標準進行比較.使用這些測量,頻率控制制造商可以在長達20年甚至更長的系統的整個壽命期間預測其設備的老化率.
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的污染物的數量.可以想象,在振蕩器封裝內部,電氣連接,機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會.在構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.當然,濕氣對真空密封包裝是非常不利的.因此,在高質量頻率控制裝置的制造過程中嚴格控制濕度.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為世界上最穩定的水晶!
那么設計師可以做些什么來使產品免受晶體老化的負面影響？
一種反直覺的設計方法是減少振蕩器所需的溫度范圍.常見的系統工程方法是在組件選擇中建立余量,以確保系統級性能.如果系統必須在-20~+70℃的溫度范圍內工作,系統工程師自然會說“我要緩沖產品并在-40~+85℃的整個溫度范圍內對振蕩器進行規范”.工程師認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運行.然而,這迫使頻率控制制造確保其元件必須在高達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溫補晶振進行設計時,請記住老化對整體時鐘性能的影響以及在設計中進行補償的方法.
頻率控制設備或振蕩器的最常見配置之一是調節電壓以維持系統內的頻率鎖定的配置.在這些類型的系統中,與振蕩器相關的頻率誤差會對系統性能產生不利影響.在最極端的情況下,當無法維持良好的頻率鎖定時,它實際上可能導致完整的系統故障.
但是這個頻率誤差的主要原因是什么？我們應該在振蕩器中尋找什么以確保高水平的系統性能？
有四種主要因素會導致振蕩器出現頻率誤差.晶體老化、頻率與溫度、頻率與供應、頻率與負載.
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境或晶體本身的變化而隨時間發生的長期頻率變化.適應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.當污染物被驅出石英晶體時會發生正老化.相反,當污染物被驅入石英晶體時會發生負老化.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中的問題？
與晶體老化相關的性能要求維持在美國政府公布的軍用規格上.滿足老化要求的典型工藝是對石英晶體振蕩器進行燃燒,將部件放入老化系統,每天測量多次,然后繪制這些測量值并與晶體老化的標準進行比較.使用這些測量,頻率控制制造商可以在長達20年甚至更長的系統的整個壽命期間預測其設備的老化率.
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.當然,濕氣對真空密封包裝是非常不利的.因此,在高質量頻率控制裝置的制造過程中嚴格控制濕度.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為世界上最穩定的水晶!
那么設計師可以做些什么來使產品免受晶體老化的負面影響？
一種反直覺的設計方法是減少振蕩器所需的溫度范圍.常見的系統工程方法是在組件選擇中建立余量,以確保系統級性能.如果系統必須在-20~+70℃的溫度范圍內工作,系統工程師自然會說“我要緩沖產品并在-40~+85℃的整個溫度范圍內對振蕩器進行規范”.工程師認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運行.然而,這迫使頻率控制制造確保其元件必須在高達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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