所有有源晶振在其生命中都受到?jīng)_擊和振動.范圍從口袋中攜帶的移動消費(fèi)產(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備和航空航天應(yīng)用中出現(xiàn)的強(qiáng)烈振動水平.即使建筑物中的產(chǎn)品也會受到附近風(fēng)扇和其他導(dǎo)致振動的設(shè)備的影響.因此,重要的是測試和驗(yàn)證使用何種沖擊和振動的電子元件.表1顯示了各種操作環(huán)境中的典型加速度.

表1.各種現(xiàn)場應(yīng)用中的振動

環(huán)境	加速典型-G級別
靜態(tài)建筑	0.02rms
牽引車-拖車(3至80赫茲)	0.2peak
裝甲運(yùn)兵車	0.5to3rms
船只——平靜的海洋	0.02to0.1peak
鐵路	0.1to1peak
船舶——洶涌的大海	0.8peak
螺旋槳飛機(jī)	0.3to5rms
直升飛機(jī)	0.1to7rms
噴氣式飛機(jī)	0.02to2rms
導(dǎo)彈——助推階段	15peak

沖擊和振動不僅會對零件本體和封裝造成物理上的損傷,還可能會引起PCB組件的焊錫接合不良.而且會降低電子部件自身的性能.振蕩器容易受到振動等外部因素的性能影響.例如振子本身的損傷、相位噪聲的增加、抖動的增加、尖峰噪聲的發(fā)生.石英振蕩器,石英振子由懸臂結(jié)構(gòu)(懸臂)支撐,對振動造成的損傷非常敏感.SiTime晶振公司的MEMS諧振器基本上比兩個理由更強(qiáng)的振動.一個是比石英振子的質(zhì)量要小得多,由振動誘發(fā)的加速度向振子施加的力也減輕了.第二,SiTime的MEMS振蕩器的設(shè)計(jì)是由非常硬的構(gòu)造(在固體模式下面內(nèi)振動的設(shè)計(jì),本質(zhì)上具備耐振動性的形狀設(shè)計(jì),使振動下的頻移最小化的振蕩電路設(shè)計(jì))構(gòu)成的.
測試條件
由于外部因素可能會改變方向,持續(xù)時間和強(qiáng)度,因此在各種測試條件(如沖擊和振動靈敏度)下測量貼片振蕩器的電響應(yīng)非常重要.因此,SiTime使用如表2所示的市售產(chǎn)品(包括SiTime和晶體振蕩器的MEMS振蕩器),以及“正弦波振動”,“隨機(jī)振動”和“脈沖沖擊”的三種不同的振動和沖擊.評估了振蕩器本身的響應(yīng)精度.其中包括已知在高工作頻率下具有低抖動的SAW晶體.
表2.測試中的振蕩器器件;單端器件(藍(lán)色陰影)工作頻率為26MHz,差分器件(綠色陰影)工作頻率為156.25MHz

正弦波振動
最初,響應(yīng)是在15Hz至2kHz范圍內(nèi)的正弦振動下測量的.它產(chǎn)生具有正弦振蕩周期的頻率調(diào)制,并通過頻率噪聲引起相位調(diào)制(通常稱為“雜散”).通過表征石英晶體振蕩器對振動的靈敏度,以dBc為單位的雜散感應(yīng)相位噪聲雜散可以用十億分之一(ppb)表示,并通過正弦振動的峰值加速度歸一化,得到ppb/它可以以g為單位表示.振動測試由控制器,功率放大器和振動器組成,如圖1和圖2所示,峰值加速度是每個正弦波振動的頻率(15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz))每個將是4克.
此外,每個振動頻率的掃描時間約為15至20分鐘.每個頻率點(diǎn)的停留時間約為一分鐘.振蕩器的響應(yīng)是各向異性的,即取決于振蕩的方向.因此,測試重復(fù)相對于圖1中所示的封裝和方向中的器件的1引腳標(biāo)記的x,y和z方向上的振蕩.然后繪制每個振蕩器的最壞情況方向數(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)備的照片：(a)振動器,(b)設(shè)備安裝塊,(c)相位噪聲分析儀

隨機(jī)振動
OSC振蕩器在使用過程中可能會出現(xiàn)隨機(jī)振動.它的范圍從幾Hz到幾kHz.這些振蕩會增加寬帶相位噪聲.有幾個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隨機(jī)振動變化的測試條件,具體取決于所測試的電子設(shè)備類型和預(yù)期的操作環(huán)境[1].因此我們根據(jù)MILSTD-883H(方法2026)[2]進(jìn)行了測試,最適合電子元件.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動曲線,可以指定不同的強(qiáng)度等級(見圖3).其中,條件B是7.5-GrmsRMS的組合功率水平,適用于易受高振動應(yīng)力影響的移動環(huán)境.
圖1中測試系統(tǒng)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,在指定的頻率范圍內(nèi)合成隨機(jī)振動.

圖3.隨機(jī)振動測試的MIL-STD-883H規(guī)范[2]

隨機(jī)振動導(dǎo)致相應(yīng)于振動頻率的偏移頻率處的相位噪聲增加.為了計(jì)算相位抖動的這種增加,我們在有和沒有隨機(jī)振動的兩種條件下測量每個晶振在15Hz到10kHz頻帶內(nèi)的相位噪聲,并計(jì)算兩個值之間的均方根.計(jì)算平方根差.
影響
在第三次測試中,響應(yīng)沖擊影響的運(yùn)行期間的瞬態(tài)頻率偏差由MIL-STD-883H(方法2002)[2]確定.根據(jù)規(guī)格測量我們測量了半波的瞬態(tài)頻率響應(yīng),加速度為500g,1ms半幅應(yīng)用為1ms正弦沖擊脈沖.MIL-STD-883H[2]標(biāo)準(zhǔn)被廣泛用作非工作模式下機(jī)械沖擊下晶體振蕩器的存活測試.SiTime的MEMS振蕩器已通過10,000克至50,000克機(jī)械沖擊的鑒定測試,但大多數(shù)商用晶體振蕩器僅為100克至1500克.
沖擊試驗(yàn)環(huán)境如圖4和圖5所示.它類似于振動測試的方法.我們在x,y和z方向上震動了SPXO振蕩器并進(jìn)行了最壞的情況測量.每100μs連續(xù)測量頻率10秒,并且在撞擊之前,期間和之后獲得頻率響應(yīng)的數(shù)據(jù).

圖4.機(jī)械沖擊測試設(shè)置

圖5.沖擊測試設(shè)備的照片：(a)沖擊測試儀和(b)安裝塊

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Oscillator與MEMS的抗振性和抗沖擊性比較

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