稳压恒温晶振的稳压器失效分析

[摘 要]在电子科技和高速通讯领域中，恒温晶振（OCXO）发挥着重要的作用。恒温晶振是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。设计高稳定的恒温晶体振荡器，必须有性能良好的稳压系统来保证其频率稳定，高性能的稳压能改善OCXO整体性能，进而选择合适的控制策略来优化控制电路，并防止失效。本文将综合分析恒温晶振的相关概念并且介绍相关的恒温晶振稳压器失效的相关问题。

[关键词]稳压恒温晶振；稳压器

中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0047-01

前言：

本文在分析传统的数字、模拟温度补偿晶振及恒温晶振技术的基础上，针对不同指标要求的晶体振荡器设计了几种改善频率温度特性的方案。致力于提高稳压恒温晶振的稳压器的稳定性，分析其失效原因，具有非常重要的意义。

1.恒温晶振的概念

1.1概念

一般晶振器件的稳定性主要受环境温度的影响，振荡晶体在变温条件下，其振荡频率会随之改变。而恒温晶体振荡器对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。

1.2原理

恒温晶振是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制（AGC）的振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度比较理想的技术方案。【1】

其余还有只将石英晶体振子置于恒温槽中，或将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。

1.3特点

恒温晶振频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密， 其短稳和相位噪声都较好，因而恒温晶振被广泛用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH 传输设备、移动通信直放机、GPS 接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型恒温晶振可以带压控引脚。主要缺点是功耗大，体积大， 需要5分钟左右的加热时间才能正常工作。

2. 恒温晶振的稳压器失效分析

2.1恒温晶振的稳压器简介

一般来说，准确度和稳定度作为评价晶体振荡器频率的两个重要指标，且稳定度更加重要，因为只有“频率”稳定，才谈得上准确。也就是说，一个频率源的准确度是由它的稳定度来保证的。

而恒温晶振稳压器起到的正是这样一个作用，通过改善温度频率，合理设置电路来提高稳定度的机器。伴随着各自新技术、新工艺、新材料的蓬勃发展，恒温晶振已经是目前频率稳定度最高的晶体振荡器。但国内的发展水平和恒温晶振技术指标相比国外还有一定差距，这就需要不断赶超，学习现金，勇于创新研发出我国自主的高稳定度恒温晶振。

2.2恒温晶振的稳压器晶体失效

在 OCXO 失效分析的案例中，晶体失效占 50 %以上， 是最主要的失效模式。晶体 3 种不同的失效机理及其分析诊断如下：

晶体封装腔内水汽含量过高：虽然晶体通常采用气密封装，但如果工艺过程控制不当， 会有少量的水汽残留。晶体对水汽的吸附极其敏感。密封腔体内的水汽会在一定的压力、温度条件下出现凝露 （被称为露点， 通常要求晶体的露点为- 45 ℃） 现象。一旦在石英晶片的表面出现凝露， 就会改变晶体的质荷比， 轻则使晶体的谐振频率突变， 严重时导致晶体不能稳定地输出频率信号， 甚至停振。

石英晶片的表面电极工艺缺陷：晶体的结构是在石英晶片的两面分别镀上一层金或银作为电极， 电极之间的垂直交叉面积以及电极的质量平衡是决定晶体频率的重要因素。电极的垂直交叉面积和质量变化， 直接影响晶体的性能。

导电胶粘结不良：晶体石英晶片的电极与外电极之间的连接通常采用导电胶，导电胶由有机粘合剂（通常是树脂）和导电微粒（通常是银粉）组成，树脂经过固化后起粘结作用，银粉起导电功能。导电胶的粘结效果受到多方面因素的影响，如导电胶自身材料的性能，被粘结的界面状态（如粗糙程度），点胶前在空气中的暴露时间、固化条件等。另外，由于 OCXO 恒温工作使晶体工作在较高的温度点 （如80 ℃），高温工作引发导电胶加速老化的问题。由于导电胶的粘结缺陷，加上恒高温工作的加速老化，使导电胶退化失去粘结作用，导致 OCXO 失效。

2.3 振荡电路失效

OCXO 振荡电路的失效主要有 3 种失效机理：负载失配导致OCXO放大器输出级过载烧毁；OCXO内部电源负载能力不足，OCXO的电源调整管工作在临界功率上，甚至超负荷工作引起失效；PCBA工艺缺陷引起的失效。[3]

2.4 热结构失效

为了控制或消除环境温度变化对晶体振荡频率的影响， 获取稳定的频率输出，OCXO中利用功率管在放大区工作所产生的热量对晶体进行加热，并控制加热功率管的热功率，实现恒温功能。温度是电子元器件老化的关键应力，而热结构决定热的通路以及热的分布，因此，热结构的设计成为 OCXO热设计的关键。

目前有部分OCXO采用加热功率管、晶体平行焊接在PCB的铜箔上的结构，功率管产生的热量经过功率管的焊接材料（锡铅焊料或无铅焊料）、PCB的铜箔、晶体的焊料传输到晶体上。由于PCB 铜箔热传输效率低，功率管与被恒温的晶体之间存在较大的温差。为了实现晶体恒定高温，加热功率管必须工作在更高的温度上（壳温一般超过80 ℃）。这种热结构存在两方面的问题： 1）功率管锡铅焊接部位经受高温和温度冲击而加速退化；2）功率管通过PCB对晶体加热。因此，相应的PCB同样工作在高温状态，使这个位置上的 PCB的其它元器件也工作在较高的温度上而加速老化；尤其是工作中自身存在热耗散的元器件，如OCXO中的电源调整管。

3.改善恒温晶振失效的稳压方法

OCXO在工程使用中出现的失效，外部表现简单， 或无频率信号输出， 或输出不稳定 （时输出时不输出） ， 或频率漂移。但其失效机理及相关原因相当复杂， 而且涉及晶体的制造工艺、OCXO 模块组装工艺、OCXO 的热设计、OCXO 电路冗余设计、输出保护设计等方面， 必须通过严谨、细致的分析， 才能作出准确的判断。以下是四种改善频率温度特性的方案[2]。

3.1 微机补偿晶体振荡器

微机补偿晶体振荡器，采用自测温传感器、及微处理器的软件技术实时获取A/D转换数据，其频率温度稳定度提高了一个量级；3.2基于双金属电极的热应力补偿温补晶振

基于双金属电极的热应力补偿温补晶振，从晶体自身特性出发，结合其力-频特性与温-频特性使晶振频率温度稳定度得到改善；

3.3 GPS驯服晶体振荡器

GPS驯服晶体振荡器，用高精度GPS信号锁定晶体振荡器，消除了晶振的频漂且锁定后精度大幅度提高；

3.4 双层恒温控制晶振

最后，关于恒温晶振的频率温度特性，通过改进振荡电路、温控电路设计，采用双层恒温控制晶振，使得频率温度稳定度得到很大的提高。

结语

恒温晶振（OCXO）是频率稳定度最高的晶体振荡器，其在全球定位系统、通信、计量、遥测遥控、频谱及网络分析仪等电子仪器方面应用非常广泛。尽管目前国内发展不是最佳，但在科技工作者的坚持努力下，相信日后恒温晶振稳压器会更加稳定，在高速通讯行业中立于领先地位。

参考文献

[1] 曾祥君，尹项根，林干.晶振信号同步 GPS 信号产生高精度时钟的方法及实现[J].电力系统自动化，2003，27（8）：49-53.

[2] GJB 548- 96， 微电子器件试验方法和程序[S].

[3] 林明权.VHDL 数字控制系统设计范例[M].北京：电子工业出版社，2003.