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石英晶体振荡器老化的原因分析

来源:http://dgkjly.com 作者:壹兆电子 2018年12月26
  老化是在恒定的环境和系统级条件下振荡器频率随时间发生的变化。石英晶体振荡器中的老化是由石英晶体本身或振荡器组件中的其余组件的变化引起的。石英晶体的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气体的释气石英晶体,其支架,玻璃或陶瓷基座以及用于安装石英的粘合剂。它还可以包括从电极到石英晶振表面的金属迁移。这些事件涉及石英贴片晶振质量的交换,这导致其频率的变化。
  其他也会导致石英晶体老化的因素包括晶体支架的应力消除和微观支架泄漏。虽然已知持有者的严重泄漏会导致频率向下移动,但微观泄漏对长期老化性能的影响尚不清楚。由于贴片晶振元件值在其寿命期间的变化引起的频率漂移可以直接影响振荡环路或维持电路的稳态功能,例如电压调节,恒温箱控制和信号输出级。
  与振荡回路或周围电路内的元件相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。
在共鸣下,
ZX=-ZC(1)
其中ZX是石英晶体阻抗,ZC是振荡器电路阻抗。
以来,
Z=R+jX(2)
将等式(2)代入(1)给出了我们,
RX+jXX=-RC-jXC(3)
ÞRX=-RC(4)
和XX=-XC(5)
  等式(4)表示在给定幅度下持续振荡的条件,并且与频率无关。而等式(5)表示振荡的频率。工作点处的电抗与频率曲线的斜率dX/df有时被称为石英的“可拉性”。对于不同的晶体切口和泛音,串联谐振的W / Hz的dX / df的一些典型值如表1所示。
  电路元件的电抗是振荡环路频率的原因。假设几年后DXC以外的所有元件的电抗都会发生变化。为了在新条件下发生共振,仍必须满足等式(5)。
因此,
XX+DXX=-XC-DXC(6)
(XX+DXX)代表石英晶体的电抗与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,
Df=DXX/(dX/df)(7)
  因此,如果10mH电感在其使用寿命期间漂移1%,则使用公式(7),5MHz SC Cut第3泛音振荡器将漂移0.029 Hz或5.7 x 10-09分数频率。与此相比,10 MHz SC Cut 3rd Overtone振荡器将漂移0.433 Hz或4.3 x 10-08和10 MHz AT Cut 3rd Overtone振荡器将漂移4.488 Hz或4.5 x 10-08。重要的是要注意,能够过度调谐(或“可拉动性”)的振荡器也易于具有更高的老化速率。
  与恒温晶振的烘箱控制电路中的组件相关的老化程度取决于石英晶体的温度系数。表2示出了在AT和SC切割石英晶体的转折点温度下的温度系数C的近似值,单位为°C-2。由DT炉温度变化引起的分数频率Dff偏差由下式给出。
  因此,在转换点运行的AT Cut OCXO晶振的使用寿命期间,烤箱温度发生0.2°C的变化,将导致4 x 10-9的分数频率变化。可以看出,炉控制电路中元件值漂移的影响通常会受到振荡环内漂移的影响。
  石英晶体振荡器的老化性能是一个复杂的现象,是许多因素的累积效应,其中只有少数因素被提及过。其中一些因素的影响可能会相互抵消,而其他因素可能会主导老化表现。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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