Oscillator与MEMS的抗振性和抗冲击性比较
来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2019年07月18
所有有源晶振在其生命中都受到冲击和振动.范围从口袋中携带的移动消费产品到工业设备和航空航天应用中出现的强烈振动水平.即使建筑物中的产品也会受到附近风扇和其他导致振动的设备的影响.因此,重要的是测试和验证使用何种冲击和振动的电子元件.表1显示了各种操作环境中的典型加速度.
冲击和振动不仅会对零件本体和封装造成物理上的损伤,还可能会引起PCB组件的焊锡接合不良.而且会降低电子部件自身的性能.振荡器容易受到振动等外部因素的性能影响.例如振子本身的损伤、相位噪声的增加、抖动的增加、尖峰噪声的发生.石英振荡器,石英振子由悬臂结构(悬臂)支撑,对振动造成的损伤非常敏感.SiTime晶振公司的MEMS谐振器基本上比两个理由更强的振动.一个是比石英振子的质量要小得多,由振动诱发的加速度向振子施加的力也减轻了.第二,SiTime的MEMS振荡器的设计是由非常硬的构造(在固体模式下面内振动的设计,本质上具备耐振动性的形状设计,使振动下的频移最小化的振荡电路设计)构成的.
测试条件
由于外部因素可能会改变方向,持续时间和强度,因此在各种测试条件(如冲击和振动灵敏度)下测量贴片振荡器的电响应非常重要.因此,SiTime使用如表2所示的市售产品(包括SiTime和晶体振荡器的MEMS振荡器),以及“正弦波振动”,“随机振动”和“脉冲冲击”的三种不同的振动和冲击.评估了振荡器本身的响应精度.其中包括已知在高工作频率下具有低抖动的SAW晶体.
表2.测试中的振荡器器件;单端器件(蓝色阴影)工作频率为26MHz,差分器件(绿色阴影)工作频率为156.25MHz 正弦波振动
最初,响应是在15Hz至2kHz范围内的正弦振动下测量的.它产生具有正弦振荡周期的频率调制,并通过频率噪声引起相位调制(通常称为“杂散”).通过表征石英晶体振荡器对振动的灵敏度,以dBc为单位的杂散感应相位噪声杂散可以用十亿分之一(ppb)表示,并通过正弦振动的峰值加速度归一化,得到ppb/它可以以g为单位表示.振动测试由控制器,功率放大器和振动器组成,如图1和图2所示,峰值加速度是每个正弦波振动的频率(15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz))每个将是4克.
此外,每个振动频率的扫描时间约为15至20分钟.每个频率点的停留时间约为一分钟.振荡器的响应是各向异性的,即取决于振荡的方向.因此,测试重复相对于图1中所示的封装和方向中的器件的1引脚标记的x,y和z方向上的振荡.然后绘制每个振荡器的最坏情况方向数据.
图1.正弦和随机振动测试设置
随机振动
OSC振荡器在使用过程中可能会出现随机振动.它的范围从几Hz到几kHz.这些振荡会增加宽带相位噪声.有几个标准规定了随机振动变化的测试条件,具体取决于所测试的电子设备类型和预期的操作环境[1].因此我们根据MILSTD-883H(方法2026)[2]进行了测试,最适合电子元件.该标准规定了振动曲线,可以指定不同的强度等级(见图3).其中,条件B是7.5-GrmsRMS的组合功率水平,适用于易受高振动应力影响的移动环境.
图1中测试系统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,在指定的频率范围内合成随机振动.
图3.随机振动测试的MIL-STD-883H规范[2]
随机振动导致相应于振动频率的偏移频率处的相位噪声增加.为了计算相位抖动的这种增加,我们在有和没有随机振动的两种条件下测量每个晶振在15Hz到10kHz频带内的相位噪声,并计算两个值之间的均方根.计算平方根差.
影响
在第三次测试中,响应冲击影响的运行期间的瞬态频率偏差由MIL-STD-883H(方法2002)[2]确定.根据规格测量我们测量了半波的瞬态频率响应,加速度为500g,1ms半幅应用为1ms正弦冲击脉冲.MIL-STD-883H[2]标准被广泛用作非工作模式下机械冲击下晶体振荡器的存活测试.SiTime的MEMS振荡器已通过10,000克至50,000克机械冲击的鉴定测试,但大多数商用晶体振荡器仅为100克至1500克.
冲击试验环境如图4和图5所示.它类似于振动测试的方法.我们在x,y和z方向上震动了SPXO振荡器并进行了最坏的情况测量.每100μs连续测量频率10秒,并且在撞击之前,期间和之后获得频率响应的数据.
图5.冲击测试设备的照片:(a)冲击测试仪和(b)安装块
表1.各种现场应用中的振动
环境 | 加速典型-G级别 |
静态建筑 | 0.02rms |
牵引车-拖车(3至80赫兹) | 0.2peak |
装甲运兵车 | 0.5to3rms |
船只——平静的海洋 | 0.02to0.1peak |
铁路 | 0.1to1peak |
船舶——汹涌的大海 | 0.8peak |
螺旋桨飞机 | 0.3to5rms |
直升飞机 | 0.1to7rms |
喷气式飞机 | 0.02to2rms |
导弹——助推阶段 | 15peak |
测试条件
由于外部因素可能会改变方向,持续时间和强度,因此在各种测试条件(如冲击和振动灵敏度)下测量贴片振荡器的电响应非常重要.因此,SiTime使用如表2所示的市售产品(包括SiTime和晶体振荡器的MEMS振荡器),以及“正弦波振动”,“随机振动”和“脉冲冲击”的三种不同的振动和冲击.评估了振荡器本身的响应精度.其中包括已知在高工作频率下具有低抖动的SAW晶体.
表2.测试中的振荡器器件;单端器件(蓝色阴影)工作频率为26MHz,差分器件(绿色阴影)工作频率为156.25MHz 正弦波振动
最初,响应是在15Hz至2kHz范围内的正弦振动下测量的.它产生具有正弦振荡周期的频率调制,并通过频率噪声引起相位调制(通常称为“杂散”).通过表征石英晶体振荡器对振动的灵敏度,以dBc为单位的杂散感应相位噪声杂散可以用十亿分之一(ppb)表示,并通过正弦振动的峰值加速度归一化,得到ppb/它可以以g为单位表示.振动测试由控制器,功率放大器和振动器组成,如图1和图2所示,峰值加速度是每个正弦波振动的频率(15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz))每个将是4克.
此外,每个振动频率的扫描时间约为15至20分钟.每个频率点的停留时间约为一分钟.振荡器的响应是各向异性的,即取决于振荡的方向.因此,测试重复相对于图1中所示的封装和方向中的器件的1引脚标记的x,y和z方向上的振荡.然后绘制每个振荡器的最坏情况方向数据.
图1.正弦和随机振动测试设置
OSC振荡器在使用过程中可能会出现随机振动.它的范围从几Hz到几kHz.这些振荡会增加宽带相位噪声.有几个标准规定了随机振动变化的测试条件,具体取决于所测试的电子设备类型和预期的操作环境[1].因此我们根据MILSTD-883H(方法2026)[2]进行了测试,最适合电子元件.该标准规定了振动曲线,可以指定不同的强度等级(见图3).其中,条件B是7.5-GrmsRMS的组合功率水平,适用于易受高振动应力影响的移动环境.
图1中测试系统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,在指定的频率范围内合成随机振动.
图3.随机振动测试的MIL-STD-883H规范[2]
影响
在第三次测试中,响应冲击影响的运行期间的瞬态频率偏差由MIL-STD-883H(方法2002)[2]确定.根据规格测量我们测量了半波的瞬态频率响应,加速度为500g,1ms半幅应用为1ms正弦冲击脉冲.MIL-STD-883H[2]标准被广泛用作非工作模式下机械冲击下晶体振荡器的存活测试.SiTime的MEMS振荡器已通过10,000克至50,000克机械冲击的鉴定测试,但大多数商用晶体振荡器仅为100克至1500克.
冲击试验环境如图4和图5所示.它类似于振动测试的方法.我们在x,y和z方向上震动了SPXO振荡器并进行了最坏的情况测量.每100μs连续测量频率10秒,并且在撞击之前,期间和之后获得频率响应的数据.
图5.冲击测试设备的照片:(a)冲击测试仪和(b)安装块
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