石英晶振老化與反常的系統(tǒng)提示,頻率誤差的主要原因，導(dǎo)致振蕩器頻率誤差的主要驅(qū)動(dòng)因素有四個(gè)：晶體老化，頻率與溫度，頻率與電源的關(guān)系，頻率與負(fù)載的關(guān)系。在這四個(gè)驅(qū)動(dòng)因素中，晶體老化是最常見的故障模式之一。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長(zhǎng)期頻率變化。一個(gè)很好的類比是打破一雙新的正裝鞋。一開始合身會(huì)變化得更快，但最終他們會(huì)安頓下來(lái)并感覺很棒！

晶體老化有兩種類型，正老化和負(fù)老化。當(dāng)污染物從石英晶體中排出時(shí)，就會(huì)發(fā)生正老化。相反，當(dāng)污染物被打入石英晶體時(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)的問題呢？

與晶體老化相關(guān)的性能要求維持在美國(guó)政府發(fā)布的軍用規(guī)格中。滿足老化要求的典型過程是對(duì)振蕩器進(jìn)行老化，將零件放入老化系統(tǒng)中，每天進(jìn)行多次測(cè)量，然后將這些測(cè)量值繪制成并與晶體老化的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)備在長(zhǎng)達(dá) 20 年及以上的系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)的老化率。

污染是晶體老化因素

有許多因素會(huì)影響晶體老化率。其中最主要的是密封在諧振器封裝內(nèi)的污染物量。可以想象，石英晶體振蕩器封裝內(nèi)部在電氣連接、機(jī)械連接和晶體坯料本身之間有多個(gè)接口邊界。這些接口中的每一個(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放氣或污染源。事實(shí)上，密封包裝的行為也會(huì)引入不必要的污染源。例如，石英是一種吸氣劑，很容易吸收水分，這對(duì)真空密封包裝極為不利。這就是為什么在高質(zhì)量頻率控制設(shè)備的制造過程中嚴(yán)格控制濕度的原因。避免過多水分的一些常見步驟包括在氮?dú)飧稍锵渲袃?chǔ)存和處理組件、氫氣燃燒以及在高真空和高溫下密封最終諧振器。

例如，在目前正在探索冥王星的新視野號(hào)航天器上飛行的BG61有源晶振上，晶體在高溫真空下保持約一周，然后在高真空下密封。BG61被廣泛認(rèn)為是宇宙中最穩(wěn)定的晶體！很想知道這有多穩(wěn)定...嗯，它是 0.0001 ppb 或 0.0000000000001 十億分之一。說到數(shù)十億，Bliley晶振的超穩(wěn)定晶體現(xiàn)在距離地球5億英里！

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)面影響呢？一種不常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是減小振蕩器所需的溫度范圍。常見的系統(tǒng)工程方法是在組件選擇中增加裕量，以確保系統(tǒng)級(jí)性能。如果系統(tǒng)必須在 -20 至 70 攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作，系統(tǒng)工程師自然會(huì)說：“我要自己緩沖并在 -40 到 85 攝氏度的整個(gè)溫度范圍內(nèi)指定振蕩器。

工程師認(rèn)為他們會(huì)得到更好的零件，因?yàn)樗軌蛟跀U(kuò)展的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。然而，這迫使頻率控制制造確保其組件必須在高達(dá)95°C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）并降低器件MTBF或平均故障間隔時(shí)間。最初的目的是獲得性能卓越的零件，最后反而卻只能獲得性能低于標(biāo)準(zhǔn)且使用壽命可能會(huì)縮短的零件。

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