冲击和振动会对元件和外壳造成物理损坏,导致印刷电路板组件中的焊点失效,并降低电子元件的性能.时钟振荡器容易受到几个不利影响:谐振器损坏,振动引起的相位噪声和抖动增加以及冲击引起的频率尖峰.
石英振荡器中的石英晶体谐振器是悬臂结构,对振动造成的损坏特别敏感.SiTime微机电系统谐振器从根本上说更加坚固,原因有二.首先,它们的质量比石英谐振器小得多,这减少了振动引起的加速度施加到谐振器上的力.第二,SiTime微机电系统振荡器的专有设计包括以体模式在平面内振动的非常坚硬的谐振器结构,固有抗振动的几何结构以及在振动下最小化频率偏移的振荡器电路设计.
测试条件
由于外力的方向,持续时间和强度可能不同,因此测量振荡器在各种测试条件下的电响应非常重要,以充分了解它们对冲击和振动的敏感性.SiTime晶振评估振荡器对三种不同振动或冲击模式的响应:(1)正弦振动,(2)随机振动和(3)脉冲冲击.测试的器件都是市售产品,包括SiTime和一家竞争对手的基于微机电系统的振荡器,以及几家制造商的基于石英的振荡器.我们包括带有表面声波晶体谐振器的石英振荡器,已知在高工作频率下具有低抖动.

表2测试中的振荡器设备;单端部分(蓝色阴影部分)工作在26兆赫,差分部分(绿色阴影部分)工作在156.25兆赫

1.正弦振动
第一次测试测量了频率范围从15赫兹到2千赫兹的正弦振动响应.正弦振动的周期性产生频率调制,这在相位噪声频谱中诱发杂散,频率偏移于振动频率.为了表征有源晶振振荡器对振动的灵敏度,以dBc为单位的振动诱发相位噪声杂散被转换为十亿分之一(ppb)的等效频移,然后通过正弦振动的峰值加速度归一化,并以ppb/g表示.
振动测试装置由控制器,功率放大器和振荡器组成,如图1和2所示.每个正弦振动频率(15,30,60,100,300,600,1000和2000赫兹)的峰值加速度为4克.振动频率的每次扫描花费大约15到20分钟,并且在每个频率点的停留时间大约为1分钟.振荡器对外力的响应是各向异性的,即它取决于振动的方向.因此,参照封装上的器件引脚1标记和图1所示的方向,在x,y和z方向重复测试.这些图显示了每个振荡器最坏情况下的数据.

图1.正弦和随机振动测试设置

图2.振动测试设备照片:
(a)振动筛,(b)设备安装块,(c)相位噪声分析仪

1.1随机振动
振荡器在使用过程中可能会经历随机振动
频率范围从几赫兹到几千赫兹.这些振动会增加宽带相位噪声.几个标准规定了随机振动曲线的测试条件,随机振动曲线随预期操作环境或测试的电子设备类型而变化,[1】.我们根据MILSTD-883H[2],方法2026进行测试,因为该标准最适用于电子元件.该标准规定了振动曲线,并允许不同的强度等级(见图3).复合功率水平为7.5grms的条件B适用于高振动移动环境.图1测试设置中的控制器使用数字信号处理,根据振动曲线中定义的功率密度水平,合成指定频率范围内的随机振动.

图3.[2]随机振动测试的MIL-STD-883H规范

随机振动导致相位噪声在对应于振动频率的偏移处增加.我们测量了每个石英晶体振荡器有无随机振动时的相位噪声,并计算了15赫兹至10千赫兹的积分相位抖动值.然后,可以从这两个值之间的均方根差中导出感应抖动.

图4.机械冲击测试设置

1.2冲击
第三项测试测量了运行期间响应冲击的瞬态频率偏差.该试验遵循MIL-STD-883H[2]方法2002的规范,我们监测了加速度为500的1ms半正弦波冲击脉冲的瞬态频率响应

图5.冲击测试设备照片:(a)冲击测试仪和(b)安装块

方法2002标准MIL-STD-883H[2]被广泛用于测试非工作模式下机械冲击下石英晶体振荡器的生存能力.大多数市售石英晶体振荡器在环境鉴定试验中规定了100-g至1500-g的等级,而SiTime微机电系统振荡器在10,000-g至50,000-g的机械冲击下达到了环境鉴定.
冲击测试设置如图4和5所示.与振动测试方法相似,我们将振荡器定向为在x,y和z方向施加冲击,并测量最坏的情况.连续10秒每100秒进行一次频率测量,提供冲击前,冲击中和冲击后的频率响应数据.

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石英晶体振荡器冲击和振动情况下的表现

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