MTI-milliren石英晶體振蕩器老化性能研究

石英晶體振蕩器的超長時(shí)間老化性能研究

摘要
將提供長達(dá)1900天的延長老化測試結(jié)果，以深入了解石英晶體振蕩器的長期漂移特性。將對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論，以顯示環(huán)境條件和功率開關(guān)循環(huán)變化的影響。

1.介紹 

對(duì)幾種類型的石英晶體振蕩器進(jìn)行了非常長時(shí)間尺度的老化測量，包括AT和SC切割烘箱控制晶體振蕩器（OCXO）以及溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）。）盡管每個(gè)OCXO在生產(chǎn)中都會(huì)老化，但通常只在滿足老化率規(guī)范所需的時(shí)間段內(nèi)收集數(shù)據(jù)。由于確定真正的老化性能需要很長的測試時(shí)間，TCXOs很少老化。通常無法獲得大組振蕩器長期老化性能的研究結(jié)果。

顯示的許多測試結(jié)果都是振蕩器的，這些振蕩器要么超出了生產(chǎn)訂單，要么不符合特定規(guī)范，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，用頻率擾動(dòng)顯示的大量數(shù)據(jù)不是范數(shù)，并且代表了沒有顯示異常的振蕩器的一小部分。然而，在長時(shí)間內(nèi)從這些振蕩器收集的數(shù)據(jù)顯示出值得注意的有趣品質(zhì)。事實(shí)上，許多振蕩器是故意留在老化系統(tǒng)中的，專門用于研究老化過程，并提供了這些振蕩器的數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)代表了真實(shí)世界的性能，因?yàn)樗蹲降搅巳粘：图竟?jié)變化的周期性變化，以及由于停電和計(jì)劃的系統(tǒng)維護(hù)而引起的回掃的影響。重要的是要認(rèn)識(shí)到石英晶體振蕩器的真實(shí)老化性能是由這些因素混淆的。

2.方法

為每個(gè)振蕩器提供的數(shù)據(jù)是通過大約每2小時(shí)對(duì)1秒門間隔的多達(dá)20個(gè)樣本進(jìn)行平均來收集的。所有振蕩器的自動(dòng)測試測量都是通過軟件控制連續(xù)進(jìn)行的，除非它們每天被加載到老化系統(tǒng)上或從老化系統(tǒng)中卸載。在此過程中，數(shù)據(jù)收集將停止約3至5個(gè)小時(shí)。

中斷也可能是老化系統(tǒng)的日常維護(hù)工作或電源故障造成的。在這種情況下，振蕩器可能會(huì)斷電數(shù)小時(shí)，數(shù)據(jù)收集可能會(huì)停止數(shù)天。

由于繪圖軟件的限制，通過刪除每隔一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，顯示的所有數(shù)據(jù)都已縮小了大小。時(shí)間刻度已用2000年2月15日采集的最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了歸一化，該數(shù)據(jù)點(diǎn)表示x軸上標(biāo)記為“天數(shù)”的第0天。因此，在此日期之前采集的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都用歸一化日期后的負(fù)數(shù)表示。這是為了便于定位多個(gè)單元的數(shù)據(jù)集所共有的事件，從而將它們與單個(gè)振蕩器的行為隔離開來。

從顯示的結(jié)果中去除了雜散點(diǎn)，以便觀察感興趣的數(shù)據(jù)。出現(xiàn)雜散數(shù)據(jù)點(diǎn)的主要原因是老化系統(tǒng)測試夾具插座和射頻開關(guān)因過度使用而磨損。這導(dǎo)致由于沿著RF信號(hào)路徑的偶爾的間歇性接觸而導(dǎo)致錯(cuò)誤的頻率讀數(shù)。

3.老化

老化是指在恒定的環(huán)境和系統(tǒng)級(jí)條件下，振蕩器的頻率隨時(shí)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剩余組件的變化引起的。

石英晶體的老化是多種因素綜合作用的結(jié)果。其中一些因素可能包括雜質(zhì)的擴(kuò)散和石英晶體、其支架、玻璃或陶瓷基底以及用于安裝石英的粘合劑的脫氣。它還可以包括金屬從電極遷移到石英表面。這些事件涉及石英晶體質(zhì)量的交換，從而導(dǎo)致其頻率的變化

其他導(dǎo)致石英晶體老化的因素包括晶體支架的應(yīng)力釋放和微觀支架泄漏。雖然已知支架中的總泄漏會(huì)導(dǎo)致頻率向下移動(dòng)，但微觀泄漏對(duì)長期老化性能的影響尚不清楚

由于元件值在其使用壽命內(nèi)的變化而導(dǎo)致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，如電壓調(diào)節(jié)、烘箱控制和信號(hào)輸出級(jí)

與振蕩回路或周圍電路內(nèi)的組件相關(guān)的老化幅度取決于石英晶體在工作頻率下的電抗斜率。為了更好地理解振蕩回路內(nèi)的元件值漂移對(duì)老化性能的影響，我們需要考慮圖1所示的簡化阻抗框圖。

等式（4）表示持續(xù)的條件 在給定的振幅下振蕩，并且獨(dú)立于 頻率。然而，等式（5）表示 振蕩頻率。電抗的斜率與。 工作點(diǎn)的頻率曲線dX/df為 有時(shí)被稱為石英的“可拉性” 水晶。

系列時(shí)dX/df的一些典型值（單位:W/Hz） 不同水晶切割和泛音的共振是 如表1所示。

電路元件的電抗為 負(fù)責(zé)振蕩回路的頻率。 假設(shè)除了 幾年后石英晶體被DXC改變了。 為了在新的條件下發(fā)生共振， 等式（5）仍然必須滿足。

因此， XX + DXX = -XC - DXC

（XX + DXX）代表上的一個(gè)新工作點(diǎn)石英晶振晶體和a的電抗與頻率曲線 對(duì)應(yīng)頻率。頻率的變化是 給予者，

Df = DXX / (dX/df)

因此，如果10mH電感在 使用等式（7），5MHz SC在其生命周期中的第三次切割 泛音振蕩器將漂移0.029 Hz或5.7 x 10-09 分?jǐn)?shù)頻率。與此相比，10 MHz SC 截三次泛音振蕩器將漂移0.433 Hz或4.3 x 10-08和10 MHz的截止頻率3 rd泛音振蕩器 會(huì)漂移4.488赫茲或4.5 x 10-08。重要的是 注意，能夠過度調(diào)諧的振蕩器（或 “可拉性”）也傾向于更大的老化率。

與自動(dòng)OCXO烤箱控制電路中的組件相關(guān)的老化程度取決于石英晶體的溫度系數(shù)。表2顯示了C-2中at和SC切割石英晶體在轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度下的溫度系數(shù)C的近似值。

由DT烘箱溫度變化引起的分?jǐn)?shù)頻率Dff偏差由下式給出:

△ff = C△T 2

因此，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)工作的自動(dòng)變速OCXO壽命期間，烘箱溫度變化0.2°C將導(dǎo)致4 x 10-9的頻率變化。可以看出，恒溫箱控制電路中元件值漂移的影響通常會(huì)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(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，是許多因素累積的結(jié)果，這里只提到了其中的幾個(gè)因素。其中一些因素的影響可能會(huì)相互抵消，而其他因素可能會(huì)主導(dǎo)老化性能。此外，這些因素的影響也可能以不同的速度衰減，導(dǎo)致它們?cè)诶匣^程中的不同時(shí)間起主導(dǎo)作用。

4.現(xiàn)場操作條件

在正常工作條件下，振蕩器可能會(huì)受到許多環(huán)境變化的影響，例如溫度、濕度和大氣壓力波動(dòng)，以及系統(tǒng)級(jí)參數(shù)的變化，例如電源開關(guān)周期、電源電壓和調(diào)諧電壓不穩(wěn)定性。為了確定老化性能，區(qū)分和隔離這些因素對(duì)振蕩器頻率的影響非常重要。

從數(shù)據(jù)中可以明顯看出預(yù)熱、回掃和熱穩(wěn)定性的影響。下面的圖1對(duì)它們進(jìn)行了討論，以將這些因素與老化過程區(qū)分開來，老化過程只有在跨越數(shù)年的大型數(shù)據(jù)集上才有可能。

4.1熱身

預(yù)熱是指石英晶體和元件因通電而溫度升高時(shí)發(fā)生的頻率變化。雖然這在OCXO晶振中很明顯，但在TCXOs和VCXOs（壓控晶體振蕩器）中也存在較小程度的散熱問題 電路元件。OCXOs中的預(yù)熱最明顯，通常規(guī)定為幾分鐘。預(yù)熱時(shí)間是指振蕩器頻率在參考時(shí)間達(dá)到指定頻率容差所需的時(shí)間 振蕩器通電后通常1小時(shí)的一段時(shí)間。但是，必須了解的是，預(yù)熱不會(huì)在規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間段后停止，因此不得將其誤解為老化。事實(shí)上，預(yù)熱過程導(dǎo)致的頻率變化可能會(huì)持續(xù)數(shù)周。從圖8所示的圖表中可以明顯看出這一點(diǎn)。

4.2重走 回掃是通過關(guān)閉振蕩器并在一段時(shí)間后重新開啟觀察到的頻率偏移。其測量方法是取穩(wěn)定頻率（通常為24小時(shí)的規(guī)定斷電時(shí)間）與通電時(shí)間（通常為1至2小時(shí)）后測得的頻率之間的差值 在規(guī)定的恒定環(huán)境溫度下進(jìn)行的小時(shí)數(shù)。圖2中的圖表描述了在第-150天和第-47天持續(xù)約2至4小時(shí)的停電情況下的回撤。

當(dāng)在靜態(tài)條件下（主要是溫度條件下）長時(shí)間工作時(shí)，石英晶體振蕩器組件傾向于將其自身物理“退火”到該工作狀態(tài)。當(dāng)振蕩器斷電時(shí)，元件開始將自身“退火”到新狀態(tài)，退火的程度取決于新狀態(tài)下的時(shí)間和兩者之間的溫差。當(dāng)振蕩器再次通電時(shí)，組件物理上變回與電源關(guān)閉前類似的狀態(tài)。然而，它們可能不會(huì)達(dá)到 最初存在導(dǎo)致回掃效應(yīng)。由于元件的物理變化會(huì)導(dǎo)致其電氣特性發(fā)生變化，這又會(huì)導(dǎo)致頻率變化。振蕩環(huán)路中的元件是回掃的主要來源，與預(yù)熱一樣，由于上電和斷電狀態(tài)之間的溫差較大，OCXOs更容易發(fā)生回掃。在TCXOs中，回掃通常是 被更大的溫度相關(guān)變化和更高的老化速率所掩蓋，如圖3所示。

根據(jù) 振蕩器電源關(guān)閉，產(chǎn)品類型 可能需要幾個(gè)小時(shí)到幾周的時(shí)間 為了使石英晶體振蕩器從 斷電和恢復(fù)到先前狀態(tài)的影響 老化率。在其他情況下，振蕩器可能不 展示相同電源故障下的回掃效應(yīng) 事件。在分析這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)時(shí)，注意到 回掃偏移的幅度通常 與振蕩器的老化速度成正比。

4.3熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性的影響會(huì)蓋過 正常情況下振蕩器的真實(shí)老化性能 操作條件，尤其是季節(jié)變化時(shí) 被認(rèn)為是。石英晶體振蕩器 熱穩(wěn)定性，如TCXOs和VCXOs 更容易對(duì)老化率產(chǎn)生誤解 比如說，比精密雙烘箱OCXOs更好的測量 如圖3和9所示。

5.老化性能結(jié)果

幾種振蕩器的老化測試結(jié)果如下 已呈現(xiàn)。最近的兩起停電事故非常突出 幾乎所有的數(shù)據(jù)都證明了這一點(diǎn)。停電 1999年12月30日第47天（與Y2K無關(guān) 事件！）持續(xù)了大約3到4個(gè)小時(shí)。作為一個(gè) 結(jié)果，數(shù)據(jù)收集停止了4天。另一個(gè) 第150天的停電持續(xù)了近2個(gè)小時(shí)。這 整個(gè)老化系統(tǒng)被物理轉(zhuǎn)移到新的 1997年毗鄰建筑中的制造工廠。 持續(xù)超過6小時(shí)的停電時(shí)間為 在第837天明顯。

5.1 AT切割石英晶體振蕩器結(jié)果

圖3顯示了10 MHz的老化性能 歷時(shí)1799天切割TCXO。

由溫度引起的每日頻率變化 顯然是顯而易見的。相當(dāng)有趣的是 還要注意季節(jié)變化引起的循環(huán)行為。它 重要的是要認(rèn)識(shí)到每年的老化率不能 由第一年的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確確定 收集，隨著老齡化的傾斜 從冬季到夏季的過渡 反之亦然，比平均值高幾個(gè)數(shù)量級(jí) 年老化率

其他3個(gè)也記錄了類似的老化性能 相似時(shí)間段內(nèi)的10 MHz TCXOs和2個(gè)tcxo 在17.382812兆赫的頻率下分別運(yùn)行243天和1119天。 相比之下，13 MHz的老化性能 基本OCXOs如圖4所示。

10 MHz三次泛音石英晶體的老化結(jié)果 振蕩器如圖5所示。

兩個(gè)OCXOs在50 MHz下的老化性能 三次泛音石英晶體如圖6所示。這 兩個(gè)振蕩器上出現(xiàn)的階躍完全相同 表明外部擾動(dòng)的時(shí)間周期。

100 MHz三次泛音OCXO老化性能 結(jié)果如圖7所示。同樣，頻率 兩者在完全相同的時(shí)間段發(fā)生移位 –617時(shí)除兩個(gè)頻率步進(jìn)外的單位 在其中一個(gè)振蕩器上看到的天數(shù)和–433天。這 振蕩器沒有臺(tái)階，不容易回撤 在第150天和第47天斷電。

除了老化率高得多的100 MHz振蕩器之外，在呈現(xiàn)的每個(gè)結(jié)果中都可以注意到周期性的季節(jié)性行為。

5.2 SC切割石英晶體振蕩器結(jié)果

給出了5 MHz和10 MHz SC切割OCXOs的老化結(jié)果。圖8顯示了兩個(gè)振蕩器在1951天時(shí)間內(nèi)高度相關(guān)的老化性能。季節(jié)性周期在這些結(jié)果中也很明顯

一個(gè)振蕩器在振蕩過程中表現(xiàn)出向下的拖尾 衰老的最初幾天。此后，它以正斜率老化，隨后以遞減速率穩(wěn)定負(fù)斜率老化。從正老化斜率到負(fù)老化斜率的逐漸平滑過渡（反之亦然）可能發(fā)生在不同的時(shí)間段內(nèi)，這種現(xiàn)象并不罕見，在低老化率的振蕩器中可能更為明顯。

圖9顯示了5MHz三次泛音OCXO晶體振蕩器的其他性能結(jié)果。

10 MHz三次泛音OCXOs的老化結(jié)果如圖10和11所示。有趣的是，其中一個(gè)振蕩器表現(xiàn)出兩種頻率狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)之間從–925天跳躍到–872天。 圖12顯示了10 MHz第五泛音OCXOs的老化結(jié)果。

5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了涉及32個(gè)OCXOs的老化實(shí)驗(yàn)，以研究5 MHz SC切三次泛音晶體的老化趨勢。

注意到13個(gè)振蕩器表現(xiàn)出主要為正的老化斜率，而19個(gè)振蕩器表現(xiàn)出負(fù)的老化斜率。在大約600天的時(shí)間內(nèi)，具有正老化斜率的振蕩器記錄了平均1.5 x 10-08的總分?jǐn)?shù)頻率變化，即大約2.5 x 10-11/天。 然而，在同一時(shí)期，那些斜率為負(fù)的國家平均記錄了7.5 x 10-09，或約1.3 x 10-11/天，提高了2倍。兩組的代表性結(jié)果如圖13和14所示。

在分析本研究的226個(gè)振蕩器的結(jié)果時(shí)，記錄了第–837、–150和–47天的3個(gè)已知電源故障的回掃效應(yīng)，如下表3所示。

有趣的是，在171個(gè)具有可辨別的單向回掃偏移的振蕩器中，69%的振蕩器向老化斜率的相反方向移動(dòng)。

5.4其他有趣的結(jié)果

圖15顯示了石英晶體支架泄漏導(dǎo)致的10 MHz截止三次泛音OCXO老化性能。

圖16顯示了不同的10 MHz三次泛音OCXO的結(jié)果，前兆事件發(fā)生在第–254天。這可能是以不同速率老化的另一種振蕩模式交叉的結(jié)果。

6.結(jié)論

衰老是一個(gè)復(fù)雜的過程。老化速率通常與石英晶體的電抗斜率成比例，表明對(duì)元件性能有一定的依賴性

如果沒有足夠的數(shù)據(jù)，有時(shí)很難檢測振蕩器的老化性能。受環(huán)境影響嚴(yán)重混淆的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)小數(shù)據(jù)集的誤解

所有類型的振蕩器都有回掃效應(yīng)。然而，回掃的幅度與振蕩器的類型無關(guān)。

對(duì)于系統(tǒng)級(jí)計(jì)算，制定一個(gè)包括所有頻率相關(guān)因素（主要是老化）的誤差預(yù)算是一種良好的做法。這可以用于確定應(yīng)用是否能夠承受石英晶體振蕩器在其壽命期間的預(yù)期頻率變化，或者可用的最小調(diào)諧是否 范圍足以抵消這種變化。