將提供長達1900天的延長老化測試結(jié)果，以便深入了解石英晶體振蕩器的長期漂移特性。將討論這些結(jié)果，以顯示環(huán)境條件變化和電源開-關(guān)循環(huán)的影響。
1、介紹
對包括AT和SC切割爐控制晶體振蕩器(OCXO)以及溫度補償晶振(TCXO)在內(nèi)的幾種類型的石英晶體振蕩器進行了非常長時間尺度的老化測量。)盡管每個OCXO在生產(chǎn)中都會老化，但數(shù)據(jù)通常只在滿足老化率規(guī)范所需的時間內(nèi)收集。TCXOs很少老化，因為確定真正老化性能需要很長的測試時間。關(guān)于大組振蕩器長時間老化性能結(jié)果的研究通常沒有。
所示的許多測試結(jié)果都是振蕩器的，這些振蕩器要么超出生產(chǎn)訂單，要么不符合特定規(guī)格，要么在老化測試測量過程中表現(xiàn)出異常行為。必須注意的是，在頻率擾動下顯示的大量數(shù)據(jù)并不是常態(tài)，只是不顯示異常的振蕩器百分比的一小部分。然而，從這些振蕩器長時間收集的數(shù)據(jù)顯示出值得注意的有趣品質(zhì)。事實上，一些振蕩器被有意留在老化系統(tǒng)中專門研究老化過程，并給出了這些振蕩器的數(shù)據(jù)。
這些數(shù)據(jù)代表了真實世界的性能，因為它捕捉了日常和季節(jié)性變化的周期性變化，以及由于停電和預(yù)定的系統(tǒng)維護而引起的回撤的影響。重要的是要認識到石英晶體振蕩器的真正老化性能是由這些因素造成的。
2、方法
為每個貼片晶振振蕩器呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)是通過大約每2小時平均1秒選通間隔的多達20個樣本來收集的。所有振蕩器的自動測試測量通過軟件控制連續(xù)進行，除非它們被加載到老化系統(tǒng)或從老化系統(tǒng)卸載每天。在此過程中，數(shù)據(jù)收集大約停止3至5小時。
中斷也可能是由于老化系統(tǒng)的日常維護工作或電力故障造成的。在這種情況下，振蕩器可以關(guān)閉幾個小時，數(shù)據(jù)收集可以停止幾天。
由于繪圖軟件的限制，通過刪除每隔一個數(shù)據(jù)點，所有顯示的數(shù)據(jù)都被縮小了。時間刻度已經(jīng)標準化，最后一個數(shù)據(jù)點是2000年2月15日，代表x軸上標記為“天數(shù)”的第0天。“因此，在此日期之前獲取的所有數(shù)據(jù)點都由歸一化日期的負天數(shù)表示。這有助于定位多個單元的數(shù)據(jù)集共有的事件，從而將它們與單個振蕩器的行為隔離開來。
雜散點已從顯示的結(jié)果中去除，以便觀察感興趣的數(shù)據(jù)。雜散數(shù)據(jù)點的出現(xiàn)主要是由于老化的系統(tǒng)測試夾具插座和RF開關(guān)因過度使用而磨損。這導(dǎo)致錯誤的頻率讀數(shù)，這是由于沿著RF信號路徑的偶然間歇接觸。
3。老化
老化是在恒定的環(huán)境和系統(tǒng)級條件下振蕩器頻率隨時間的變化。石英晶體振蕩器的老化是由石英晶體本身或振蕩器組件中的其余部件的變化引起的。
石英晶體老化是多種因素綜合作用的結(jié)果。這些因素中的一些可能包括雜質(zhì)的擴散和石英晶體、其保持器、玻璃或陶瓷基底以及用于安裝石英的粘合劑的除氣。它還可以包括從電極到石英表面的金屬遷移。這些事件涉及石英晶振質(zhì)量的交換，這導(dǎo)致其頻率的變化。
導(dǎo)致石英晶體老化的其他因素包括晶體支架的應(yīng)力釋放和顯微支架泄漏。雖然已知支架中的嚴重泄漏會導(dǎo)致頻率下降，但微觀泄漏對長期老化性能的影響并不清楚。
由于元件值在其壽命期間的變化而引起的頻率漂移可能直接影響振蕩回路或維持電路的穩(wěn)態(tài)功能，例如電壓調(diào)節(jié)、烘箱控制和信號輸出級。
與振蕩回路或周圍電路內(nèi)的元件有關(guān)的老化程度取決于工作頻率下石英晶體的電抗斜率。為了更好地理解振蕩回路中元件值漂移對老化性能的影響，我們需要考慮圖1所示的簡化阻抗框圖。
圖一
共振下，
其中ZX是石英晶體阻抗，ZC是振蕩器電路阻抗。因為，
將式( 2 )代入式( 1 )中，
等式( 4 )表示在給定振幅下持續(xù)振蕩的條件，并且與頻率無關(guān)。而等式( 5 )表示振蕩頻率。在工作點dX / df處電抗與頻率曲線的斜率有時被稱為石英晶體的“可拉性”。
對于不同的晶振切割和泛音，串聯(lián)諧振時的dX / df ( W / Hz )的一些典型值顯示在表1中。
表1
電路元件的電抗負責(zé)振蕩回路的頻率。假設(shè)除石英晶體之外的所有元件的電抗在數(shù)年后以DXC變化。為了在新條件下發(fā)生共振，仍然必須滿足等式( 5 )。
因此，
( XX + DXX )表示石英晶體電抗-頻率曲線上的新工作點和相應(yīng)的頻率。頻率的變化由下式給出，
因此，如果一個10mH電感在其壽命周期內(nèi)漂移1 %，使用等式( 7 )，一個5MHz SC截止的三次泛音振蕩器將漂移0.029 Hz或5.7 x 10分頻。相比之下，10 MHz的SC截止三次泛音振蕩器將漂移0.433 Hz或4.3 x 10，而10 MHz截止三次泛音振蕩器將漂移4.488 Hz或4.5 x 10。重要的是要注意，能夠過度調(diào)諧(或“可拉性”)的振蕩器也傾向于更大的老化速率。
與OCXO晶振爐控制電路中的元件相關(guān)的老化程度取決于石英晶體的溫度系數(shù)。表2顯示了在AT和SC切割石英晶體的轉(zhuǎn)點溫度下的溫度系數(shù)C的近似值
表2
由DT爐溫度變化引起的小數(shù)頻率Dff偏差由下式給出，
因此，在轉(zhuǎn)點操作的AT Cut OCXO的使用壽命期間，烘箱溫度的0.2c變化將導(dǎo)致4×10的小數(shù)頻率變化。可以看出，烘箱控制電路中元件值漂移的影響通常會被振蕩回路中的漂移所掩蓋。
石英晶體振蕩器的老化性能是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，是多種因素的累積效應(yīng)，其中很少提到。其中一些因素的影響可能會相互抵消，而另一些因素可能主導(dǎo)老化性能。此外，這些因素的影響也可能以不同的速率衰減，導(dǎo)致它們在老化過程中的不同時間占主導(dǎo)地位。
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