所有電子產(chǎn)品在其壽命期間都會受到?jīng)_擊和振動.力的范圍從口袋或背包中攜帶的移動消費(fèi)品所經(jīng)歷的運(yùn)動到工業(yè)設(shè)備或航空航天應(yīng)用的高振動水平.甚至建筑物中的固定產(chǎn)品也可能會受到附近風(fēng)扇或其他設(shè)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(xiàn).表1顯示了各種環(huán)境下的典型加速度水平.

表1各種現(xiàn)場應(yīng)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(dǎo)致印刷電路板組件中的焊點(diǎn)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(jié)構(gòu),對振動造成的損壞特別敏感.SiTime微機(jī)電系統(tǒng)諧振器從根本上說更加堅(jiān)固,原因有二.首先,它們的質(zhì)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(jī)電系統(tǒng)振蕩器的專有設(shè)計(jì)包括以體模式在平面內(nèi)振動的非常堅(jiān)硬的諧振器結(jié)構(gòu),固有抗振動的幾何結(jié)構(gòu)以及在振動下最小化頻率偏移的振蕩器電路設(shè)計(jì).
測試條件
由于外力的方向,持續(xù)時間和強(qiáng)度可能不同,因此測量振蕩器在各種測試條件下的電響應(yīng)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(yīng):(1)正弦振動,(2)隨機(jī)振動和(3)脈沖沖擊.測試的器件都是市售產(chǎn)品,包括SiTime和一家競爭對手的基于微機(jī)電系統(tǒng)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(shè)備;單端部分(藍(lán)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(yīng).正弦振動的周期性產(chǎn)生頻率調(diào)制,這在相位噪聲頻譜中誘發(fā)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(fā)相位噪聲雜散被轉(zhuǎn)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(fèi)大約15到20分鐘,并且在每個頻率點(diǎn)的停留時間大約為1分鐘.振蕩器對外力的響應(yīng)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(biāo)記和圖1所示的方向,在x,y和z方向重復(fù)測試.這些圖顯示了每個振蕩器最壞情況下的數(shù)據(jù).

圖1.正弦和隨機(jī)振動測試設(shè)置

圖2.振動測試設(shè)備照片:
(a)振動篩,(b)設(shè)備安裝塊,(c)相位噪聲分析儀

1.1隨機(jī)振動
振蕩器在使用過程中可能會經(jīng)歷隨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隨機(jī)振動曲線的測試條件,隨機(jī)振動曲線隨預(yù)期操作環(huán)境或測試的電子設(shè)備類型而變化,[1】.我們根據(jù)MILSTD-883H[2],方法2026進(jìn)行測試,因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)最適用于電子元件.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動曲線,并允許不同的強(qiáng)度等級(見圖3).復(fù)合功率水平為7.5grms的條件B適用于高振動移動環(huán)境.圖1測試設(shè)置中的控制器使用數(shù)字信號處理,根據(jù)振動曲線中定義的功率密度水平,合成指定頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動.

圖3.[2]隨機(jī)振動測試的MIL-STD-883H規(guī)范

隨機(jī)振動導(dǎo)致相位噪聲在對應(yīng)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(jī)振動時的相位噪聲,并計(jì)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(dǎo)出感應(yīng)抖動.

圖4.機(jī)械沖擊測試設(shè)置

1.2沖擊
第三項(xiàng)測試測量了運(yùn)行期間響應(yīng)沖擊的瞬態(tài)頻率偏差.該試驗(yàn)遵循MIL-STD-883H[2]方法2002的規(guī)范,我們監(jiān)測了加速度為500的1ms半正弦波沖擊脈沖的瞬態(tài)頻率響應(yīng)

圖5.沖擊測試設(shè)備照片:(a)沖擊測試儀和(b)安裝塊

方法2002標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883H[2]被廣泛用于測試非工作模式下機(jī)械沖擊下石英晶體振蕩器的生存能力.大多數(shù)市售石英晶體振蕩器在環(huán)境鑒定試驗(yàn)中規(guī)定了100-g至1500-g的等級,而SiTime微機(jī)電系統(tǒng)振蕩器在10,000-g至50,000-g的機(jī)械沖擊下達(dá)到了環(huán)境鑒定.
沖擊測試設(shè)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?yàn)樵趚,y和z方向施加沖擊,并測量最壞的情況.連續(xù)10秒每100秒進(jìn)行一次頻率測量,提供沖擊前,沖擊中和沖擊后的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù).

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石英晶體振蕩器沖擊和振動情況下的表現(xiàn)

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