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石英晶体振荡器长时间老化性能结果

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浏览:- 发布日期:2018-07-20 16:32:26【
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  将提供长达1900天的延长老化测试结果,以便深入了解石英晶体振荡器的长期漂移特性。将讨论这些结果,以显示环境条件变化和电源开-关循环的影响。

1、介绍

 对包括AT和SC切割炉控制晶体振荡器(OCXO)以及度补偿晶振(TCXO)在内的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。)尽管每个OCXO在生产中都会老化,但数据通常只在满足老化率规范所需的时间内收集。TCXOs很少老化,因为确定真正老化性能需要很长的测试时间。关于大组振荡器长时间老化性能结果的研究通常没有。

  所示的许多测试结果都是振荡器的,这些振荡器要么超出生产订单,要么不符合特定规格,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,在频率扰动下显示的大量数据并不是常态,只是不显示异常的振荡器百分比的一小部分。然而,从这些振荡器长时间收集的数据显示出值得注意的有趣品质。事实上,一些振荡器被有意留在老化系统中专门研究老化过程,并给出了这些振荡器的数据。
  这些数据代表了真实世界的性能,因为它捕捉了日常和季节性变化的周期性变化,以及由于停电和预定的系统维护而引起的回撤的影响。重要的是要认识到石英晶体振荡器的真正老化性能是由这些因素造成的。
2、方法
  为每个贴片晶振振荡器呈现的数据是通过大约每2小时平均1秒选通间隔的多达20个样本来收集的。所有振荡器的自动测试测量通过软件控制连续进行,除非它们被加载到老化系统或从老化系统卸载每天。在此过程中,数据收集大约停止3至5小时。
中断也可能是由于老化系统的日常维护工作或电力故障造成的。在这种情况下,振荡器可以关闭几个小时,数据收集可以停止几天。
  由于绘图软件的限制,通过删除每隔一个数据点,所有显示的数据都被缩小了。时间刻度已经标准化,最后一个数据点是2000年2月15日,代表x轴上标记为“天数”的第0天。“因此,在此日期之前获取的所有数据点都由归一化日期的负天数表示。这有助于定位多个单元的数据集共有的事件,从而将它们与单个振荡器的行为隔离开来。
  杂散点已从显示的结果中去除,以便观察感兴趣的数据。杂散数据点的出现主要是由于老化的系统测试夹具插座和RF开关因过度使用而磨损。这导致错误的频率读数,这是由于沿着RF信号路径的偶然间歇接触。
3。老化
  老化是在恒定的环境和系统级条件下振荡器频率随时间的变化。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的其余部件的变化引起的。
  石英晶体老化是多种因素综合作用的结果。这些因素中的一些可能包括杂质的扩散和石英晶体、其保持器、玻璃或陶瓷基底以及用于安装石英的粘合剂的除气。它还可以包括从电极到石英表面的金属迁移。这些事件涉及石英晶振质量的交换,这导致其频率的变化。
  导致石英晶体老化的其他因素包括晶体支架的应力释放和显微支架泄漏。虽然已知支架中的严重泄漏会导致频率下降,但微观泄漏对长期老化性能的影响并不清楚。
  由于元件值在其寿命期间的变化而引起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,例如电压调节、烘箱控制和信号输出级。
  与振荡回路或周围电路内的元件有关的老化程度取决于工作频率下石英晶体的电抗斜率。为了更好地理解振荡回路中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。

石英晶体振荡器长时间老化性能结果

图一

共振下,

石英晶体振荡器长时间老化性能结果

其中ZX是石英晶体阻抗,ZC是振荡器电路阻抗。因为,

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将式( 2 )代入式( 1 )中,

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  等式( 4 )表示在给定振幅下持续振荡的条件,并且与频率无关。而等式( 5 )表示振荡频率。在工作点dX / df处电抗与频率曲线的斜率有时被称为石英晶体的“可拉性”。
  对于不同的晶振切割和泛音,串联谐振时的dX / df ( W / Hz )的一些典型值显示在表1中。

石英晶体振荡器长时间老化性能结果

表1
  电路元件的电抗负责振荡回路的频率。假设除石英晶体之外的所有元件的电抗在数年后以DXC变化。为了在新条件下发生共振,仍然必须满足等式( 5 )。
因此,

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  ( XX + DXX )表示石英晶体电抗-频率曲线上的新工作点和相应的频率。频率的变化由下式给出,

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  因此,如果一个10mH电感在其寿命周期内漂移1 %,使用等式( 7 ),一个5MHz SC截止的三次泛音振荡器将漂移0.029 Hz或5.7 x 10分频。相比之下,10 MHz的SC截止三次泛音振荡器将漂移0.433 Hz或4.3 x 10,而10 MHz截止三次泛音振荡器将漂移4.488 Hz或4.5 x 10。重要的是要注意,能够过度调谐(或“可拉性”)的振荡器也倾向于更大的老化速率。
  与OCXO晶振炉控制电路中的元件相关的老化程度取决于石英晶体的温度系数。表2显示了在AT和SC切割石英晶体的转点温度下的温度系数C的近似值

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表2
  由DT炉温度变化引起的小数频率Dff偏差由下式给出,

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  因此,在转点操作的AT Cut OCXO的使用寿命期间,烘箱温度的0.2c变化将导致4×10的小数频率变化。可以看出,烘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,是多种因素的累积效应,其中很少提到。其中一些因素的影响可能会相互抵消,而另一些因素可能主导老化性能。此外,这些因素的影响也可能以不同的速率衰减,导致它们在老化过程中的不同时间占主导地位。

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