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晶振测试

晶振测试介绍和意义

石英晶体振荡器(以下简称晶振)是利用石英晶体压电效应而制成的器件,它的作用是输出高精度和高稳定度的脉冲信号,为整个电路提供时序基准。我们知道,现在电路中有越来越多的时序电路,它们之间的协同运行必须要有一个时间基准,才能统一一致的行动,就像电视剧里特种行动小队在出发前都要对下表一样,晶振在系统中起的作用就如同队长的手表,它如果稳定性或准确性不好的话,那整个系统就会错误频出,故障率很高。所以又把晶振称为单板的“心脏”。

石英晶体振荡器是由品质因数Q极高的石英晶体谐振器和振荡电路组成。晶体的品质因数、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等,共同决定振荡器的性能。国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为4类:普通晶体振荡(SPXO),电压控制式晶体振荡(VCXO),温度补偿式晶体振荡(TCXO),恒温控制式晶体振荡(OCXO)。目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡(DCXO)以及混合式的VOCXO振荡等。


SPXO的内部结构图

SPXO的内部结构图

OCXO的内部结构图

OCXO的内部结构图

虽然因为石英晶体的Q值很高,晶振输出的稳定性和准确性都很高,但由于晶振内部元器件参数随着运行时间发生飘逸,电源、负载和温度等参数变化等原因,其输出并不是恒定不变的。任何晶振,频率不稳定是绝对的,只是程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如下图所示。下图中表现出频率不稳定的三种因素:老化、飘移和短稳。其中短稳性能会影响到接收机的接收灵敏度和选择性、会影响高速率数字通信系统、会影响测试系统测试灵敏度等等,对高速信号的质量起着决定性的作用。短稳指标的时频表现就是人们常说的眼图。老化和飘移是对晶振长期稳定指标的描述,它表征晶振运行一段时间(经常是日、月、年等)后,输出频率的变化程度。


晶振输出频率随时间变化的示意图

晶振输出频率随时间变化的示意图结


综上,晶振的频率测试,需要长时间的测量并记录,测试过程中又经常需要更换温度、电压、负载等条件,如果纯手工操作,需要大量的人力,成本极高,不具备可操作性。北测集团为此需求专门开发了全套的自动化测试系统。本系统使用铷钟做为基准,提升整套系统的测试精确度,使用软件控制可编程电源、频率计和温箱,可实现在满足条件后自动记录数据,以及多路输出同时控制并记录,大大节省了人力成本。北测集团还有40G/s的高采样率的示波器,可以把晶振的输出波形准确的还原并测量,最大限度的减少测量误差。

测试对象

晶振在电子产品PCBA上几乎无处不存,常见的有:时钟晶振、实时晶振、声卡晶振、网卡晶振等。

北测优势

北测集团性能实验室晶振的失效分析


北测集团性能实验室对晶振的失效分析也有较深厚的技术积累,其充分发挥北测集团的平台优势,创造性的利用多领域的专业分析工具,对晶振进行综合分析。比如,北测集团性能实验性创造性的把扫描电镜引入到晶振内部石英晶片的研究上来。晶振在生产中,需要给石英晶体的表面上被上一层银层,并通过调节银层的厚度来调节振荡器的输出频率。银层的平整程度、银层表面是否有杂质,划痕以及石英晶片是否有裂痕等,会直接影响到振荡器的输出,甚至使振荡器停振或休眠。分析晶振时,把晶振开封的过程中会从外界引入大量的杂质,这些杂质落到晶片上,与晶片上原来的杂质混在一起,增大了分析的难度。这时可以使用扫描电镜的成份分析功能,对晶片上的杂质成份进行分析,可以有效的判别出此杂质是由于开封时引入的,还是晶片上本身存在的,还可以使用扫描电镜对晶片上的被银面的各个区域进行成份扫描,通过分析各个区域上银成份的差别,来判定此晶片加工时微调了几次,微调区域是否为被银面的中心,微调时使用的加银工艺还是去银工艺等等。


北测把扫描电镜引入到晶振内部石英晶片的研究上来

晶振材料的测试和分析,是需要很深厚的专业知识和技术积累的,对设备的要求也非常的高,测试项目和测试方法远不局限于上述提到的内容。北测集团已初步建立起晶振材料的测试能力,愿意帮助上下流合作伙伴排忧解难,共同提升产品的可靠性。

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