晶體制造商們常常為了提高晶振性能和延長老化而煩惱,現代化產品如今有著翻天覆地的變化,原有的一般石英晶體型號,越來越難以支持產品需求.以目前的技術水平,優化晶體的性能和老化,其實并不難,主要是需要控制成本.石英晶振市場競爭激烈,所有生產廠家都在想盡辦法的降低成本,以求在業界里脫穎而出,多年來,已有部分晶振廠家摸索出了兩全的方法.

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?我們應該在有源晶振中尋找什么以確保高水平的系統性能?有四種主要驅動器會導致振蕩器出現頻率誤差.

1.晶體老化

2.頻率與溫度

3.頻率與供應

4.頻率與負載

在這四種驅動器中,石英晶體老化是最常見的失效模式之一.很明顯,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.一個很好的類比就是打破一雙新的禮服鞋.適應性在開始時會變化得更快,但最終他們會安頓下來并感覺很棒!

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石英晶體諧振器老化的密耳標準進行比較.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晶體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,密封包裝的行為也會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.

那么設計師可以做些什么來使自己免受晶體老化的負面影響?

一種反直覺的設計方法是減少晶振所需的溫度范圍.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到70攝氏度的溫度范圍內工作,系統工程師自然會說“我要緩沖自己并在-40到85攝氏度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)并降低諧振器MTBF或平均故障間隔時間.