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(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,越來越難以支持產(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(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,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)動器會導(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(huán)境或晶體本身的變化而隨時間發(fā)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(yīng)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(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振蕩器進行燃燒,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石英晶體諧振器老化的密耳標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的整個壽命期間預(yù)測其設(shè)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(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(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,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(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.

那么設(shè)計師可以做些什么來使自己免受晶體老化的負(fù)面影響?

一種反直覺的設(shè)計方法是減少晶振所需的溫度范圍.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到70攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作,系統(tǒng)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(nèi)對振蕩器進行規(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.