四個主要驅動因素會導致晶體振蕩器出現頻率誤差

頻率控制設備或晶體振蕩器最常見的配置之一是調整電壓以保持系統內的頻率鎖定。在這些類型的系統中，與振蕩器相關的頻率誤差會對系統性能產生不利影響。在最極端的情況下，當無法保持良好的頻率鎖定時，實際上會導致系統完全失效。

但是這種頻率誤差的主要原因是什么，我們應該在振蕩器中尋找什么來確保高水平的系統性能？

有四個主要驅動因素會導致晶振蕩器出現頻率誤差。

晶體老化

頻率與溫度

頻率與供應

頻率與負載

在這四種驅動因素中，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境或晶體本身的變化引起的隨時間發生的長期頻率變化。一個很好的比喻是穿一雙新正裝鞋。剛開始時合身會更快地改變，但最終他們會適應并感覺很棒！

水晶時效有正時效和負時效兩種。當污染物被趕出石英晶體時，就會發生正老化。相反，當污染物進入石英晶體時，就會發生負老化。

那么如何測量晶體老化，頻率控制專家正在做些什么來確保它不會成為系統中的問題？

滿足老化要求的典型過程是對振蕩器進行老化測試，將部件放入老化系統中，每天對其進行多次測量，然后繪制這些測量值并與有關晶體老化的 mil 標準進行比較。使用這些測量，頻率控制制造商可以預測其設備在系統整個生命周期內的老化率，最長可達 20 年甚至更長。

影響晶體老化速度的因素有很多。其中最主要的是密封在諧振器封裝內部的污染物數量。可以想象，在振蕩器封裝內部，電氣連接、機械連接和晶體毛坯本身之間存在多個接口邊界。這些界面中的每一個都是將新污染物引入封裝的機會。在構成諧振器本身的材料中可以找到潛在的釋氣或污染源。事實上，密封包裝本身也可能引入有害的污染源。例如，石英是一種吸氣劑，很容易吸收水分。當然，水分對真空密封的包裝極為不利。所以，高品質變頻設備的制造過程中嚴格控制濕度。一些常見的避免水分過多的步驟包括在氮氣干燥箱中存儲和處理組件、氫氣燃燒以及在高真空和高溫下密封最終諧振器。

那么設計師可以做些什么來使自己免受有源貼片晶振老化的負面影響呢？

一種違反直覺的設計方法是降低振蕩器所需的溫度范圍。一種常見的系統工程方法是在您的組件選擇中留出余量，以確保系統級性能。如果系統必須在 -20 到 70 攝氏度的溫度范圍內運行，系統工程師自然會說“我要在 -40 到 85 攝氏度的整個溫度范圍內緩沖和規范振蕩器”。工程師認為他們會得到更好的部件，因為它能夠在更大的溫度范圍內運行。然而，這迫使頻率控制制造商確保其組件必須在高達 95C 的溫度下運行。這些升高的溫度將加速老化（增加頻率誤差）并降低設備的 MTBF 或平均故障間隔時間。

下次您在晶體、OCXO、VCXO或TCXO 中進行設計時，請記住老化對整體時鐘性能的影響以及您可以在設計中進行補償的方式。