許多工程師都在反復(fù)強(qiáng)調(diào)，使用晶體振蕩器時(shí)都要非常小心，因?yàn)榫д竦牟馁|(zhì)特性，更是因?yàn)榫д竦捏w積非常小，有的甚至沒(méi)有一粒米那么大。許多因素都容易導(dǎo)致晶體或振蕩器故障，停振和不起振，甚至是加速老化，影響晶振使用的壽命和性能。幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)許多頻率元件制造商，一直在研發(fā)提升晶振性能的方法和技巧，也有了不小的成效和研究結(jié)果。
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)該在振蕩器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，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)量值并與晶體老化的密耳標(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諧振器封裝內(nèi)的污染物的數(shù)量?？梢韵胂螅谡袷幤鞣庋b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。
例如，在BG61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(gè)星期。BG61被公認(rèn)為世界上最穩(wěn)定的水晶！很想知道它是多么穩(wěn)定......好吧它是0.0001ppb或0.0000000000001份。說(shuō)到數(shù)十億......Bliley的超穩(wěn)定水晶現(xiàn)在離地球有50億英里！
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)方法是減少振蕩器所需的溫度范圍。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）并降低器件MTBF或平均故障間隔時(shí)間。
下次使用石英晶體諧振器，OCXO，VCXO或TCXO進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)記住老化對(duì)整體時(shí)鐘性能的影響以及在設(shè)計(jì)中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。想要獲知更多關(guān)于晶振使用方法，和提升性能的技巧，請(qǐng)關(guān)注金洛鑫電子官方網(wǎng)站，每天更新晶振資訊及技術(shù)文章，提供咨詢—訂購(gòu)—交付—售后等一站式服務(wù)！
