頻率控制設(shè)備或晶體振蕩器最常見(jiàn)的配置之一是調(diào)整電壓以保持系統(tǒng)內(nèi)的頻率鎖定。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)法保持良好的頻率鎖定時(shí)，實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。

但是這種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來(lái)確保高水平的系統(tǒng)性能？

有四個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素會(huì)導(dǎo)致晶振蕩器出現(xiàn)頻率誤差。

晶體老化

頻率與溫度

頻率與供應(yīng)

頻率與負(fù)載

在這四種驅(qū)動(dòng)因素中，晶體老化是最常見(jiàn)的故障模式之一。很明顯，晶體老化用于描述由環(huán)境或晶體本身的變化引起的隨時(shí)間發(fā)生的長(zhǎng)期頻率變化。一個(gè)很好的比喻是穿一雙新正裝鞋。剛開(kāi)始時(shí)合身會(huì)更快地改變，但最終他們會(huì)適應(yīng)并感覺(jué)很棒！

水晶時(shí)效有正時(shí)效和負(fù)時(shí)效兩種。當(dāng)污染物被趕出石英晶體時(shí)，就會(huì)發(fā)生正老化。相反，當(dāng)污染物進(jìn)入石英晶體時(shí)，就會(huì)發(fā)生負(fù)老化。

那么如何測(cè)量晶體老化，頻率控制專家正在做些什么來(lái)確保它不會(huì)成為系統(tǒng)中的問(wèn)題？

滿足老化要求的典型過(guò)程是對(duì)振蕩器進(jìn)行老化測(cè)試，將部件放入老化系統(tǒng)中，每天對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)量，然后繪制這些測(cè)量值并與有關(guān)晶體老化的 mil 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預(yù)測(cè)其設(shè)備在系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)的老化率，最長(zhǎng)可達(dá) 20 年甚至更長(zhǎng)。

影響晶體老化速度的因素有很多。其中最主要的是密封在諧振器封裝內(nèi)部的污染物數(shù)量。可以想象，在振蕩器封裝內(nèi)部，電氣連接、機(jī)械連接和晶體毛坯本身之間存在多個(gè)接口邊界。這些界面中的每一個(gè)都是將新污染物引入封裝的機(jī)會(huì)。在構(gòu)成諧振器本身的材料中可以找到潛在的釋氣或污染源。事實(shí)上，密封包裝本身也可能引入有害的污染源。例如，石英是一種吸氣劑，很容易吸收水分。當(dāng)然，水分對(duì)真空密封的包裝極為不利。所以，高品質(zhì)變頻設(shè)備的制造過(guò)程中嚴(yán)格控制濕度。一些常見(jiàn)的避免水分過(guò)多的步驟包括在氮?dú)飧稍锵渲写鎯?chǔ)和處理組件、氫氣燃燒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)使自己免受有源貼片晶振老化的負(fù)面影響呢？

一種違反直覺(jué)的設(shè)計(jì)方法是降低振蕩器所需的溫度范圍。一種常見(jiàn)的系統(tǒng)工程方法是在您的組件選擇中留出余量，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)運(yùn)行，系統(tǒng)工程師自然會(huì)說(shuō)“我要在 -40 到 85 攝氏度的整個(gè)溫度范圍內(nèi)緩沖和規(guī)范振蕩器”。工程師認(rèn)為他們會(huì)得到更好的部件，因?yàn)樗軌蛟诟蟮臏囟确秶鷥?nèi)運(yùn)行。然而，這迫使頻率控制制造商確保其組件必須在高達(dá) 95C 的溫度下運(yùn)行。這些升高的溫度將加速老化（增加頻率誤差）并降低設(shè)備的 MTBF 或平均故障間隔時(shí)間。

下次您在晶體、OCXO、VCXO或TCXO 中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)記住老化對(duì)整體時(shí)鐘性能的影響以及您可以在設(shè)計(jì)中進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>