晶體制造商們常常為了提高晶振性能和延長(zhǎng)老化而煩惱,現(xiàn)代化產(chǎn)品如今有著翻天覆地的變化,原有的一般石英晶體型號(hào),越來(lái)越難以支持產(chǎn)品需求.以目前的技術(shù)水平,優(yōu)化晶體的性能和老化,其實(shí)并不難,主要是需要控制成本.石英晶振市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,所有生產(chǎn)廠家都在想盡辦法的降低成本,以求在業(yè)界里脫穎而出,多年來(lái),已有部分晶振廠家摸索出了兩全的方法.

頻率控制設(shè)備或振蕩器的最常見(jiàn)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(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響.在最極端的情況下,當(dāng)無(wú)法維持良好的頻率鎖定時(shí),它實(shí)際上可能導(dǎo)致完整的系統(tǒng)故障.但是這個(gè)頻率誤差的主要原因是什么?我們應(yīng)該在有源晶振中尋找什么以確保高水平的系統(tǒng)性能?有四種主要驅(qū)動(dòng)器會(huì)導(dǎo)致振蕩器出現(xiàn)頻率誤差.

1.晶體老化

2.頻率與溫度

3.頻率與供應(yīng)

4.頻率與負(fù)載

在這四種驅(qū)動(dòng)器中,石英晶體老化是最常見(jiàn)的失效模式之一.很明顯,晶體老化用于描述由于環(huán)境或晶體本身的變化而隨時(shí)間發(fā)生的長(zhǎng)期頻率變化.一個(gè)很好的類比就是打破一雙新的禮服鞋.適應(yīng)性在開(kāi)始時(shí)會(huì)變化得更快,但最終他們會(huì)安頓下來(lái)并感覺(jué)很棒!

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(shí)會(huì)發(fā)生正老化.相反,當(dāng)污染物被驅(qū)入石英晶體時(shí)會(huì)發(fā)生負(fù)老化.那么如何測(cè)量晶體老化,以及頻率控制專家正在采取哪些措施來(lái)確保它不會(huì)成為系統(tǒng)中的問(wèn)題?

與晶體老化相關(guān)的性能要求維持在美國(guó)政府公布的軍用規(guī)格上.滿足老化要求的典型工藝是對(duì)振蕩器進(jìn)行燃燒,將部件放入老化系統(tǒng),每天測(cè)量多次,然后繪制這些測(cè)量值并與石英晶體諧振器老化的密耳標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較.使用這些測(cè)量,頻率控制制造商可以在長(zhǎng)達(dá)20年甚至更長(zhǎng)的系統(tǒng)的整個(gè)壽命期間預(yù)測(cè)其設(shè)備的老化率.

有許多因素會(huì)影響晶體的老化速度.其中最主要的是密封在晶體封裝內(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(gè)接口邊界.這些界面中的每一個(gè)都是將新污染物引入包裝的機(jī)會(huì).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(shí)上,密封包裝的行為也會(huì)引入不需要的污染源.例如,石英晶振是吸氣劑并且容易吸收水分.當(dāng)然,濕氣對(duì)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(guò)程中嚴(yán)格控制濕度.避免過(guò)量水分的一些常見(jiàn)步驟包括在氮?dú)飧稍锵渲袃?chǔ)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.

那么設(shè)計(jì)師可以做些什么來(lái)使自己免受晶體老化的負(fù)面影響?

一種反直覺(jué)的設(shè)計(jì)方法是減少晶振所需的溫度范圍.常見(jiàn)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(jí)性能.如果系統(tǒng)必須在-20到70攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作,系統(tǒng)工程師自然會(huì)說(shuō)“我要緩沖自己并在-40到85攝氏度的整個(gè)溫度范圍內(nèi)對(duì)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?yàn)樗軌蛟诟鼘挼臏囟确秶鷥?nèi)運(yùn)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)并降低諧振器MTBF或平均故障間隔時(shí)間.