頻率誤差的主要原因，導(dǎo)致石英晶體振蕩器頻率誤差的主要驅(qū)動因素有四個：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。在這四個驅(qū)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(huán)境或晶體本身的變化引起的長期頻率變化。晶體老化有兩種類型，正老化和負老化。當(dāng)污染物從石英晶體中排出時，就會發(fā)生正老化。相反，當(dāng)污染物被打入石英晶體時，就會發(fā)生負老化。

如何測量晶體老化

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(tǒng)的問題呢？

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(guī)格中。滿足老化要求的典型過程是對振蕩器進行老化，將零件放入老化系統(tǒng)中，每天進行多次測量，然后將這些測量值繪制成并與晶體老化的mil標(biāo)準(zhǔn)進行比較。使用這些測量，頻率控制制造商可以預(yù)測其設(shè)備在長達 20 年及以上的系統(tǒng)整個生命周期內(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，振蕩器封裝內(nèi)部在電氣連接、機械連接和晶體坯料本身之間有多個接口邊界。這些接口中的每一個都是將新污染物引入封裝的機會。

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。事實上，密封包裝的行為也會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(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(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的超穩(wěn)定晶體現(xiàn)在距離地球5億英里！

那么，設(shè)計師可以做些什么來使自己免受晶體老化的負面影響呢？一種不常規(guī)的設(shè)計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)工程師自然會說：“我要自己緩沖并在 -40 到 85 攝氏度的整個溫度范圍內(nèi)指定振蕩器。

工程師認為他們會得到更好的零件，因為它能夠在擴展的溫度范圍內(nèi)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)且使用壽命可能會縮短的零件。技術(shù)支持