石英晶振老化與反常的系統提示,頻率誤差的主要原因，導致振蕩器頻率誤差的主要驅動(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，頻率與負載的關(guān)系。在這四個(gè)驅動(dòng)因素中，晶體老化是最常見(jiàn)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(cháng)期頻率變化。一個(gè)很好的類(lèi)比是打破一雙新的正裝鞋。一開(kāi)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(jué)很棒！

晶體老化有兩種類(lèi)型，正老化和負老化。當污染物從石英晶體中排出時(shí)，就會(huì )發(fā)生正老化。相反，當污染物被打入石英晶體時(shí)，就會(huì )發(fā)生負老化。

那么如何測量晶體老化，頻率控制專(zhuān)家正在做些什么來(lái)確保它不會(huì )成為系統的問(wèn)題呢？

與晶體老化相關(guān)的性能要求維持在美國政府發(fā)布的軍用規格中。滿(mǎn)足老化要求的典型過(guò)程是對振蕩器進(jìn)行老化，將零件放入老化系統中，每天進(jìn)行多次測量，然后將這些測量值繪制成并與晶體老化的mil標準進(jìn)行比較。使用這些測量，頻率控制制造商可以預測其設備在長(cháng)達 20 年及以上的系統整個(gè)生命周期內的老化率。

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的污染物量?？梢韵胂?，石英晶體振蕩器封裝內部在電氣連接、機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會(huì )。在構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)量頻率控制設備的制造過(guò)程中嚴格控制濕度的原因。避免過(guò)多水分的一些常見(jiàn)步驟包括在氮氣干燥箱中儲存和處理組件、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被廣泛認為是宇宙中最穩定的晶體！很想知道這有多穩定...嗯，它是 0.0001 ppb 或 0.0000000000001 十億分之一。說(shuō)到數十億，Bliley晶振的超穩定晶體現在距離地球5億英里！

那么，設計師可以做些什么來(lái)使自己免受晶體老化的負面影響呢？一種不常規的設計方法是減小振蕩器所需的溫度范圍。常見(jiàn)的系統工程方法是在組件選擇中增加裕量，以確保系統級性能。如果系統必須在 -20 至 70 攝氏度的溫度范圍內工作，系統工程師自然會(huì )說(shuō)：“我要自己緩沖并在 -40 到 85 攝氏度的整個(gè)溫度范圍內指定振蕩器。

工程師認為他們會(huì )得到更好的零件，因為它能夠在擴展的溫度范圍內運行。然而，這迫使頻率控制制造確保其組件必須在高達95°C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準且使用壽命可能會(huì )縮短的零件。

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