無(wú)論是電腦主板、通信設(shè)備，還是智能手表，都離不開(kāi)晶振的精準(zhǔn)頻率。無(wú)論多么精密的晶振，都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生“頻率漂移”。這種隨時(shí)間推移產(chǎn)生的不可逆頻率變化，被稱為年老化率。

晶振年老化率概述

晶振的年老化率指在恒定環(huán)境(溫度、負(fù)載、電源)下，頻率每年發(fā)生的長(zhǎng)期漂移量。常用單位是ppm/年。

假設(shè)一顆10MHz的晶振的老化率為±3ppm/年，一年后的頻率可能偏移 ±30Hz。

老化率的原因主要有：

晶體材料中的應(yīng)力逐漸釋放;

封裝內(nèi)雜質(zhì)、氣體或水汽影響;

電極老化或遷移;

長(zhǎng)期工作下的能量沖擊和驅(qū)動(dòng)功率累積效應(yīng)。

為什么老化率很重要?

對(duì)于普通消費(fèi)電子產(chǎn)品，幾ppm的年老化率往往影響不大。但在以下領(lǐng)域，老化率卻是關(guān)鍵指標(biāo)：

通信系統(tǒng)：基站、衛(wèi)星通信需要長(zhǎng)期保持同步;

導(dǎo)航定位：GPS接收機(jī)需要穩(wěn)定時(shí)鐘保證精度;

高精度儀器：如頻率計(jì)、光通信設(shè)備，要求長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定;

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：低功耗設(shè)備無(wú)法頻繁校時(shí)，必須依賴自身晶振的穩(wěn)定性。

年老化率的測(cè)試方法

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間記錄晶振頻率變化，并與高精度參考源對(duì)比，得到漂移速率。

1參考源對(duì)比法

設(shè)備：GPS 授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源、銣鐘、或高穩(wěn)恒溫晶振OCXO作為參考。

步驟：

將晶振輸出接入頻率計(jì)，參考輸入接入高精度時(shí)鐘;

在恒溫條件下，定時(shí)采集數(shù)據(jù)(如每10分鐘一次，持續(xù)數(shù)周或數(shù)月);

對(duì)頻率隨時(shí)間的變化做線性回歸，得到年化老化率。

2加速老化測(cè)試

在高溫高濕環(huán)境下放置，模擬長(zhǎng)期使用?？焖俦┞稘撛诶匣瘑?wèn)題，結(jié)果用于對(duì)比，不直接等同于實(shí)用老化率。

根據(jù)計(jì)算與測(cè)試結(jié)果，KOAN 晶振(涵蓋諧振器至恒溫晶振)均具備至少 15 年的可靠工作壽命。老化試驗(yàn)溫度：105±5℃和85±5℃，每個(gè)溫度時(shí)間：250±12小時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后24±2小時(shí)內(nèi)進(jìn)行電性能測(cè)試。

晶體諧振器: 1年老化-1ppm左右(2max)

晶體振蕩器: 1年老化-1.5ppm左右(3max)

降低晶振年老化率的參數(shù)與方法

為了獲得更低的老化率，可從晶振本身、封裝工藝、電路設(shè)計(jì)和工作環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化：

1晶體參數(shù)

切型：SC切晶體比AT切晶體更穩(wěn)定，應(yīng)力更。

頻率高低：低頻晶體通常比高頻晶體更穩(wěn)定。

驅(qū)動(dòng)功率：過(guò)高的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)加速電極遷移。

2封裝與制造工藝

密封質(zhì)量：金屬封裝、氣密性好可減少濕氣和污染對(duì)老化的影響。

真空或惰性氣體封裝：減少內(nèi)部污染，提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

電極材料：穩(wěn)定的金或鉬/金復(fù)合電極更抗遷移。

3電路與工作條件

恒溫控制：可有效降低溫度應(yīng)力引起的頻率漂移。

供電穩(wěn)定度：避免電源波動(dòng)引起頻率變化。

負(fù)載電容穩(wěn)定性：保持無(wú)源晶體的負(fù)載電容恒定。

4環(huán)境與應(yīng)用條件

溫度波動(dòng)：恒溫環(huán)境降低應(yīng)力釋放導(dǎo)致的漂移。

濕度：低濕環(huán)境和穩(wěn)定封裝防止電極腐蝕。

機(jī)械應(yīng)力：減少長(zhǎng)期振動(dòng)或沖擊，降低老化率。

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