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石英晶體振蕩器沖擊和振動情況下的表現

來源:http://www.jjahid.co 作者:康比電子 2019年07月02
    所有電子產品在其壽命期間都會受到沖擊和振動.力的范圍從口袋或背包中攜帶的移動消費品所經歷的運動到工業設備或航空航天應用的高振動水平.甚至建筑物中的固定產品也可能會受到附近風扇或其他設備的振動.因此,重要的是要考慮石英晶體振蕩器在沖擊和振動情況下的表現.表1顯示了各種環境下的典型加速度水平.
表1各種現場應用中的振動[1]
    沖擊和振動會對元件和外殼造成物理損壞,導致印刷電路板組件中的焊點失效,并降低電子元件的性能.時鐘振蕩器容易受到幾個不利影響:諧振器損壞,振動引起的相位噪聲和抖動增加以及沖擊引起的頻率尖峰.
    石英振蕩器中的石英晶體諧振器是懸臂結構,對振動造成的損壞特別敏感.SiTime微機電系統諧振器從根本上說更加堅固,原因有二.首先,它們的質量比石英諧振器小得多,這減少了振動引起的加速度施加到諧振器上的力.第二,SiTime微機電系統振蕩器的專有設計包括以體模式在平面內振動的非常堅硬的諧振器結構,固有抗振動的幾何結構以及在振動下最小化頻率偏移的振蕩器電路設計.
測試條件
    由于外力的方向,持續時間和強度可能不同,因此測量振蕩器在各種測試條件下的電響應非常重要,以充分了解它們對沖擊和振動的敏感性.SiTime晶振評估振蕩器對三種不同振動或沖擊模式的響應:(1)正弦振動,(2)隨機振動和(3)脈沖沖擊.測試的器件都是市售產品,包括SiTime和一家競爭對手的基于微機電系統的振蕩器,以及幾家制造商的基于石英的振蕩器.我們包括帶有表面聲波晶體諧振器的石英振蕩器,已知在高工作頻率下具有低抖動.
表2測試中的振蕩器設備;單端部分(藍色陰影部分)工作在26兆赫,差分部分(綠色陰影部分)工作在156.25兆赫
1.正弦振動
    第一次測試測量了頻率范圍從15赫茲到2千赫茲的正弦振動響應.正弦振動的周期性產生頻率調制,這在相位噪聲頻譜中誘發雜散,頻率偏移于振動頻率.為了表征有源晶振振蕩器對振動的靈敏度,以dBc為單位的振動誘發相位噪聲雜散被轉換為十億分之一(ppb)的等效頻移,然后通過正弦振動的峰值加速度歸一化,并以ppb/g表示.
    振動測試裝置由控制器,功率放大器和振蕩器組成,如圖1和2所示.每個正弦振動頻率(15,30,60,100,300,600,1000和2000赫茲)的峰值加速度為4克.振動頻率的每次掃描花費大約15到20分鐘,并且在每個頻率點的停留時間大約為1分鐘.振蕩器對外力的響應是各向異性的,即它取決于振動的方向.因此,參照封裝上的器件引腳1標記和圖1所示的方向,在x,y和z方向重復測試.這些圖顯示了每個振蕩器最壞情況下的數據.
圖1.正弦和隨機振動測試設置
圖2.振動測試設備照片:
(a)振動篩,(b)設備安裝塊,(c)相位噪聲分析儀
1.1隨機振動
振蕩器在使用過程中可能會經歷隨機振動
    頻率范圍從幾赫茲到幾千赫茲.這些振動會增加寬帶相位噪聲.幾個標準規定了隨機振動曲線的測試條件,隨機振動曲線隨預期操作環境或測試的電子設備類型而變化,[1】.我們根據MILSTD-883H[2],方法2026進行測試,因為該標準最適用于電子元件.該標準規定了振動曲線,并允許不同的強度等級(見圖3).復合功率水平為7.5grms的條件B適用于高振動移動環境.圖1測試設置中的控制器使用數字信號處理,根據振動曲線中定義的功率密度水平,合成指定頻率范圍內的隨機振動.
圖3.[2]隨機振動測試的MIL-STD-883H規范
    隨機振動導致相位噪聲在對應于振動頻率的偏移處增加.我們測量了每個石英晶體振蕩器有無隨機振動時的相位噪聲,并計算了15赫茲至10千赫茲的積分相位抖動值.然后,可以從這兩個值之間的均方根差中導出感應抖動.
圖4.機械沖擊測試設置
1.2沖擊
    第三項測試測量了運行期間響應沖擊的瞬態頻率偏差.該試驗遵循MIL-STD-883H[2]方法2002的規范,我們監測了加速度為500的1ms半正弦波沖擊脈沖的瞬態頻率響應
圖5.沖擊測試設備照片:(a)沖擊測試儀和(b)安裝塊
    方法2002標準MIL-STD-883H[2]被廣泛用于測試非工作模式下機械沖擊下石英晶體振蕩器的生存能力.大多數市售石英晶體振蕩器在環境鑒定試驗中規定了100-g至1500-g的等級,而SiTime微機電系統振蕩器在10,000-g至50,000-g的機械沖擊下達到了環境鑒定.
    沖擊測試設置如圖4和5所示.與振動測試方法相似,我們將振蕩器定向為在x,y和z方向施加沖擊,并測量最壞的情況.連續10秒每100秒進行一次頻率測量,提供沖擊前,沖擊中和沖擊后的頻率響應數據.

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