MTI-milliren石英晶体振荡器老化性能研究
石英晶体振荡器的超长时间老化性能研究
摘要
将提供长达1900天的延长老化测试结果，以深入了解石英晶体振荡器的长期漂移特性。将对结果进行讨论，以显示环境条件和功率开关循环变化的影响。
1.介绍
对几种类型的石英晶体振荡器进行了非常长时间尺度的老化测量，包括AT和SC切割烘箱控制晶体振荡器（OCXO）以及温度补偿晶体振荡器（TCXO）。）尽管每个OCXO在生产中都会老化，但通常只在满足老化率规范所需的时间段内收集数据。由于确定真正的老化性能需要很长的测试时间，TCXOs很少老化。通常无法获得大组振荡器长期老化性能的研究结果。
显示的许多测试结果都是振荡器的，这些振荡器要么超出了生产订单，要么不符合特定规范，要么在老化测试测量过程中表现出异常行为。必须注意的是，用频率扰动显示的大量数据不是范数，并且代表了没有显示异常的振荡器的一小部分。然而，在长时间内从这些振荡器收集的数据显示出值得注意的有趣品质。事实上，许多振荡器是故意留在老化系统中的，专门用于研究老化过程，并提供了这些振荡器的数据
该数据代表了真实世界的性能，因为它捕捉到了日常和季节变化的周期性变化，以及由于停电和计划的系统维护而引起的回扫的影响。重要的是要认识到石英晶体振荡器的真实老化性能是由这些因素混淆的。
2.方法
为每个振荡器提供的数据是通过大约每2小时对1秒门间隔的多达20个样本进行平均来收集的。所有振荡器的自动测试测量都是通过软件控制连续进行的，除非它们每天被加载到老化系统上或从老化系统中卸载。在此过程中，数据收集将停止约3至5个小时。
中断也可能是老化系统的日常维护工作或电源故障造成的。在这种情况下，振荡器可能会断电数小时，数据收集可能会停止数天。
由于绘图软件的限制，通过删除每隔一个数据点，显示的所有数据都已缩小了大小。时间刻度已用2000年2月15日采集的最后一个数据点进行了归一化，该数据点表示x轴上标记为“天数”的第0天。因此，在此日期之前采集的所有数据点都用归一化日期后的负数表示。这是为了便于定位多个单元的数据集所共有的事件，从而将它们与单个振荡器的行为隔离开来。
从显示的结果中去除了杂散点，以便观察感兴趣的数据。出现杂散数据点的主要原因是老化系统测试夹具插座和射频开关因过度使用而磨损。这导致由于沿着RF信号路径的偶尔的间歇性接触而导致错误的频率读数。
3.老化
老化是指在恒定的环境和系统级条件下，振荡器的频率随时间的变化。石英晶体振荡器的老化是由石英晶体本身或振荡器组件中剩余组件的变化引起的。
石英晶体的老化是多种因素综合作用的结果。其中一些因素可能包括杂质的扩散和石英晶体、其支架、玻璃或陶瓷基底以及用于安装石英的粘合剂的脱气。它还可以包括金属从电极迁移到石英表面。这些事件涉及石英晶体质量的交换，从而导致其频率的变化
其他导致石英晶体老化的因素包括晶体支架的应力释放和微观支架泄漏。虽然已知支架中的总泄漏会导致频率向下移动，但微观泄漏对长期老化性能的影响尚不清楚
由于元件值在其使用寿命内的变化而导致的频率漂移可能直接影响振荡回路或维持电路的稳态功能，如电压调节、烘箱控制和信号输出级
与振荡回路或周围电路内的组件相关的老化幅度取决于石英晶体在工作频率下的电抗斜率。为了更好地理解振荡回路内的元件值漂移对老化性能的影响，我们需要考虑图1所示的简化阻抗框图。
等式（4）表示持续的条件 在给定的振幅下振荡，并且独立于 频率。然而，等式（5）表示 振荡频率。电抗的斜率与。 工作点的频率曲线dX/df为 有时被称为石英的“可拉性” 水晶。
系列时dX/df的一些典型值（单位:W/Hz） 不同水晶切割和泛音的共振是 如表1所示。
电路元件的电抗为 负责振荡回路的频率。 假设除了 几年后石英晶体被DXC改变了。 为了在新的条件下发生共振， 等式（5）仍然必须满足。
因此， XX + DXX = -XC - DXC
（XX + DXX）代表上的一个新工作点石英晶振晶体和a的电抗与频率曲线 对应频率。频率的变化是 给予者，
Df = DXX / (dX/df)
因此，如果10mH电感在 使用等式（7），5MHz SC在其生命周期中的第三次切割 泛音振荡器将漂移0.029 Hz或5.7 x 10-09 分数频率。与此相比，10 MHz SC 截三次泛音振荡器将漂移0.433 Hz或4.3 x 10-08和10 MHz的截止频率3 rd泛音振荡器 会漂移4.488赫兹或4.5 x 10-08。重要的是 注意，能够过度调谐的振荡器（或 “可拉性”）也倾向于更大的老化率。
与自动OCXO烤箱控制电路中的组件相关的老化程度取决于石英晶体的温度系数。表2显示了C-2中at和SC切割石英晶体在转折点温度下的温度系数C的近似值。
由DT烘箱温度变化引起的分数频率Dff偏差由下式给出:
△ff = C△T 2
因此，在运转点工作的自动变速OCXO寿命期间，烘箱温度变化0.2°C将导致4 x 10-9的频率变化。可以看出，恒温箱控制电路中元件值漂移的影响通常会被振荡回路中的漂移所掩盖。
石英晶体振荡器的老化性能是一个复杂的现象，是许多因素累积的结果，这里只提到了其中的几个因素。其中一些因素的影响可能会相互抵消，而其他因素可能会主导老化性能。此外，这些因素的影响也可能以不同的速度衰减，导致它们在老化过程中的不同时间起主导作用。
4.现场操作条件
在正常工作条件下，振荡器可能会受到许多环境变化的影响，例如温度、湿度和大气压力波动，以及系统级参数的变化，例如电源开关周期、电源电压和调谐电压不稳定性。为了确定老化性能，区分和隔离这些因素对振荡器频率的影响非常重要。
从数据中可以明显看出预热、回扫和热稳定性的影响。下面的图1对它们进行了讨论，以将这些因素与老化过程区分开来，老化过程只有在跨越数年的大型数据集上才有可能。
4.1热身
预热是指石英晶体和元件因通电而温度升高时发生的频率变化。虽然这在OCXO晶振中很明显，但在TCXOs和VCXOs（压控晶体振荡器）中也存在较小程度的散热问题 电路元件。OCXOs中的预热最明显，通常规定为几分钟。预热时间是指振荡器频率在参考时间达到指定频率容差所需的时间 振荡器通电后通常1小时的一段时间。但是，必须了解的是，预热不会在规定的预热时间段后停止，因此不得将其误解为老化。事实上，预热过程导致的频率变化可能会持续数周。从图8所示的图表中可以明显看出这一点。
4.2重走 回扫是通过关闭振荡器并在一段时间后重新开启观察到的频率偏移。其测量方法是取稳定频率（通常为24小时的规定断电时间）与通电时间（通常为1至2小时）后测得的频率之间的差值 在规定的恒定环境温度下进行的小时数。图2中的图表描述了在第-150天和第-47天持续约2至4小时的停电情况下的回撤。
当在静态条件下（主要是温度条件下）长时间工作时，石英晶体振荡器组件倾向于将其自身物理“退火”到该工作状态。当振荡器断电时，元件开始将自身“退火”到新状态，退火的程度取决于新状态下的时间和两者之间的温差。当振荡器再次通电时，组件物理上变回与电源关闭前类似的状态。然而，它们可能不会达到 最初存在导致回扫效应。由于元件的物理变化会导致其电气特性发生变化，这又会导致频率变化。振荡环路中的元件是回扫的主要来源，与预热一样，由于上电和断电状态之间的温差较大，OCXOs更容易发生回扫。在TCXOs中，回扫通常是 被更大的温度相关变化和更高的老化速率所掩盖，如图3所示。
根据 振荡器电源关闭，产品类型 可能需要几个小时到几周的时间 为了使石英晶体振荡器从 断电和恢复到先前状态的影响 老化率。在其他情况下，振荡器可能不 展示相同电源故障下的回扫效应 事件。在分析这项研究的数据时，注意到 回扫偏移的幅度通常 与振荡器的老化速度成正比。
4.3热稳定性
热稳定性的影响会盖过 正常情况下振荡器的真实老化性能 操作条件，尤其是季节变化时 被认为是。石英晶体振荡器 热稳定性，如TCXOs和VCXOs 更容易对老化率产生误解 比如说，比精密双烘箱OCXOs更好的测量 如图3和9所示。
5.老化性能结果
几种振荡器的老化测试结果如下 已呈现。最近的两起停电事故非常突出 几乎所有的数据都证明了这一点。停电 1999年12月30日第47天（与Y2K无关 事件！）持续了大约3到4个小时。作为一个 结果，数据收集停止了4天。另一个 第150天的停电持续了近2个小时。这 整个老化系统被物理转移到新的 1997年毗邻建筑中的制造工厂。 持续超过6小时的停电时间为 在第837天明显。
5.1 AT切割石英晶体振荡器结果
图3显示了10 MHz的老化性能 历时1799天切割TCXO。
由温度引起的每日频率变化 显然是显而易见的。相当有趣的是 还要注意季节变化引起的循环行为。它 重要的是要认识到每年的老化率不能 由第一年的数据准确确定 收集，随着老龄化的倾斜 从冬季到夏季的过渡 反之亦然，比平均值高几个数量级 年老化率
其他3个也记录了类似的老化性能 相似时间段内的10 MHz TCXOs和2个tcxo 在17.382812兆赫的频率下分别运行243天和1119天。 相比之下，13 MHz的老化性能 基本OCXOs如图4所示。
10 MHz三次泛音石英晶体的老化结果 振荡器如图5所示。
两个OCXOs在50 MHz下的老化性能 三次泛音石英晶体如图6所示。这 两个振荡器上出现的阶跃完全相同 表明外部扰动的时间周期。
100 MHz三次泛音OCXO老化性能 结果如图7所示。同样，频率 两者在完全相同的时间段发生移位 –617时除两个频率步进外的单位 在其中一个振荡器上看到的天数和–433天。这 振荡器没有台阶，不容易回撤 在第150天和第47天断电。
除了老化率高得多的100 MHz振荡器之外，在呈现的每个结果中都可以注意到周期性的季节性行为。
5.2 SC切割石英晶体振荡器结果
给出了5 MHz和10 MHz SC切割OCXOs的老化结果。图8显示了两个振荡器在1951天时间内高度相关的老化性能。季节性周期在这些结果中也很明显
一个振荡器在振荡过程中表现出向下的拖尾 衰老的最初几天。此后，它以正斜率老化，随后以递减速率稳定负斜率老化。从正老化斜率到负老化斜率的逐渐平滑过渡（反之亦然）可能发生在不同的时间段内，这种现象并不罕见，在低老化率的振荡器中可能更为明显。
图9显示了5MHz三次泛音OCXO晶体振荡器的其他性能结果。
10 MHz三次泛音OCXOs的老化结果如图10和11所示。有趣的是，其中一个振荡器表现出两种频率状态，在这两种状态之间从–925天跳跃到–872天。 图12显示了10 MHz第五泛音OCXOs的老化结果。
5.3实验结果设计了涉及32个OCXOs的老化实验，以研究5 MHz SC切三次泛音晶体的老化趋势。
注意到13个振荡器表现出主要为正的老化斜率，而19个振荡器表现出负的老化斜率。在大约600天的时间内，具有正老化斜率的振荡器记录了平均1.5 x 10-08的总分数频率变化，即大约2.5 x 10-11/天。
然而，在同一时期，那些斜率为负的国家平均记录了7.5 x 10-09，或约1.3 x 10-11/天，提高了2倍。两组的代表性结果如图13和14所示。
在分析本研究的226个振荡器的结果时，记录了第–837、–150和–47天的3个已知电源故障的回扫效应，如下表3所示。
有趣的是，在171个具有可辨别的单向回扫偏移的振荡器中，69%的振荡器向老化斜率的相反方向移动。
5.4其他有趣的结果
图15显示了石英晶体支架泄漏导致的10 MHz截止三次泛音OCXO老化性能。
图16显示了不同的10 MHz三次泛音OCXO的结果，前兆事件发生在第–254天。这可能是以不同速率老化的另一种振荡模式交叉的结果。
6.结论
衰老是一个复杂的过程。老化速率通常与石英晶体的电抗斜率成比例，表明对元件性能有一定的依赖性
如果没有足够的数据，有时很难检测振荡器的老化性能。受环境影响严重混淆的结果可能会导致对小数据集的误解
所有类型的振荡器都有回扫效应。然而，回扫的幅度与振荡器的类型无关。
对于系统级计算，制定一个包括所有频率相关因素（主要是老化）的误差预算是一种良好的做法。这可以用于确定应用是否能够承受石英晶体振荡器在其寿命期间的预期频率变化，或者可用的最小调谐是否 范围足以抵消这种变化。
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