优化晶振系统性能与老化的实用技巧

晶体制造商们常常为了提高晶振性能和延长老化而烦恼,现代化产品如今有着翻天覆地的变化,原有的一般石英晶体型号,越来越难以支持产品需求.以目前的技术水平,优化晶体的性能和老化,其实并不难,主要是需要控制成本.石英晶振市场竞争激烈,所有生产厂家都在想尽办法的降低成本,以求在业界里脱颖而出,多年来,已有部分晶振厂家摸索出了两全的方法.

频率控制设备或振荡器的最常见配置之一是调节电压以维持系统内的频率锁定的配置.在这些类型的系统中,与振荡器相关的频率误差会对系统性能产生不利影响.在最极端的情况下,当无法维持良好的频率锁定时,它实际上可能导致完整的系统故障.但是这个频率误差的主要原因是什么?我们应该在有源晶振中寻找什么以确保高水平的系统性能?有四种主要驱动器会导致振荡器出现频率误差.

1.晶体老化

2.频率与温度

3.频率与供应

4.频率与负载

在这四种驱动器中,石英晶体老化是最常见的失效模式之一.很明显,晶体老化用于描述由于环境或晶体本身的变化而随时间发生的长期频率变化.一个很好的类比就是打破一双新的礼服鞋.适应性在开始时会变化得更快,但最终他们会安顿下来并感觉很棒!

有两种类型的晶体老化,积极老化和消极老化.当污染物被驱出石英晶体时会发生正老化.相反,当污染物被驱入石英晶体时会发生负老化.那么如何测量晶体老化,以及频率控制专家正在采取哪些措施来确保它不会成为系统中的问题?

与晶体老化相关的性能要求维持在美国政府公布的军用规格上.满足老化要求的典型工艺是对振荡器进行燃烧,将部件放入老化系统,每天测量多次,然后绘制这些测量值并与石英晶体谐振器老化的密耳标准进行比较.使用这些测量,频率控制制造商可以在长达20年甚至更长的系统的整个寿命期间预测其设备的老化率.

有许多因素会影响晶体的老化速度.其中最主要的是密封在晶体封装内的污染物的数量.可以想象,在振荡器封装内部,电气连接,机械连接和晶体空白本身之间存在多个接口边界.这些界面中的每一个都是将新污染物引入包装的机会.在构成谐振器本身的材料中可以找到潜在的放气或污染源.事实上,密封包装的行为也会引入不需要的污染源.例如,石英晶振是吸气剂并且容易吸收水分.当然,湿气对真空密封包装是非常不利的.因此,在高质量频率控制装置的制造过程中严格控制湿度.避免过量水分的一些常见步骤包括在氮气干燥箱中储存和处理组件,氢气烧制,以及在高真空和高温下密封最终谐振器.

那么设计师可以做些什么来使自己免受晶体老化的负面影响?

一种反直觉的设计方法是减少晶振所需的温度范围.常见的系统工程方法是在组件选择中建立余量,以确保系统级性能.如果系统必须在-20到70摄氏度的温度范围内工作,系统工程师自然会说“我要缓冲自己并在-40到85摄氏度的整个温度范围内对振荡器进行规范”.工程师认为他们将获得更好的部分,因为它能够在更宽的温度范围内运行.然而,这迫使频率控制制造确保其元件必须在高达95℃的温度下工作.这些升高的温度将加速老化(增加频率误差)并降低谐振器MTBF或平均故障间隔时间.