用直接阻抗法测量晶振负载谐振频率

对晶振的负载谐振频率进行测量有很多种方法，直接阻抗法就是其中一种，它使用网络分析仪，比物理负载电容法等其它方法更加准确、方便并且成本更低。本文介绍如何使用直接阻抗法进行测量并通过实测数据说明它好于其它测量方法的原因。

在 晶振参数测量中，由于Fs和Fr阻抗相对较低，按IEC 444和EIA 512进行Fs/Fr测量没有什么困难，问题主要在于负载谐振频率(FL)的测量，特别是负载电容(CL)很低的时候。晶振在负载谐振频率处阻抗相对较高，用50Ω网络分析仪测量较高阻抗要求测量设备具备很高稳定性和高精度，一般来说这样的要求不切实际，成本太高，因此技术人员又开发了几种负载谐振频率测量方法，如计算法、物理负载电容法等，这些方法设计用于测量低阻抗晶振，这样就可使用低精度设备。我们下面先对各种方法作一比较。

负载谐振频率测量法

1. 计算法

根据IEC 444规定，被测器件(DUT)在约±45°对其动态参数进行测量，负载谐振频率根据±45°数据“计算”得到。

该方法的优点在于被测器件在相对较低阻抗即接近25Ω处进行测量，因此测试对寄生分量的软件补偿要求相对简单。它的缺点在于被测器件不是在最终使用条件下进行测试，即不在相移等于规定的CL/FL处进行测试，如果晶振性能严格遵循四器件模型(图1)，那么这个方法也是可以接受的，但当晶振是非线性时(即不符合四器件模型)，FL的测量就不够精确(图2)。

如果已经知道被测器件是一个线性晶振，则可以使用这个方法来测量；但在大多数场合下，需要先有一个测试方法来告诉你它是否是线性的，所以计算法不实用，除非你在测试前已经知道晶振是线性的。

那么晶振的线性度究竟有什么影响呢？从电路应用观点来看，只要晶振有一稳定(可重复)明确的阻抗-频率曲线，并且在振荡器中功能正常，它就是一个好晶振，是不是线性没有关系，非线性晶振并不意味着是一个坏晶振。

而晶振设计人员则认为，市场趋势是向小型化方向发展，如AT带状晶振和SMD晶振，与大的圆形晶振不同，小型晶振采用矩形坯料，此时再应用四器件模型比较困难。不过测量有问题并不表示它是一个坏晶振，只不过还需要一些能够在不涉及非线性条件更精确测量晶振的测试方法或系统，以提供更多信息，如寄生模式在不同温度下对晶振性能的影响情况等。

从晶振测量角度来看，计算法不适用于测试非线性晶振，因为测量精确度取决于晶振特性，而它的差异很大，如果存在其它适用的测试手段就应该放弃使用这种方法

2. 物理负载电容法

如IEC 444标准所述，该方法的基本概念是用一个实际电容与晶振串联，然后在指定负载电容下测量晶振，并对两者同时进行测量。这与计算法相比是一个很大的改进，因为没有过多估计，而且网络分析仪是在相对较低的阻抗上测量负载谐振频率(图3)。

该方法已被广泛采用，它有下面一些优点：

·相比于计算法，负载谐振频率具有良好的可重复性。

·不同机器之间可通过调整物理负载电容很容易实现一致，无需改变任何软件参数，只要有一张按不同用户、供应商、设备、频率、测试前端配置等做出的负载电容对照表即可。

·测量速度较快

但它也有一个明显的缺点，即串联谐振频率(Fr)、谐振电阻(Rr)和静态电容(Co)值不能通过一次测试精确得到，被测器件必须测两次，即装上和不装负载电容进行测试，这样所有参数才能达到一定的精度，但这些测量在做完驱动电平相关性(DLD)和寄生模式测量后非常困难(根据IEC 444-6，DLD和寄生测量两者都是基于串行测量而不是负载测量的)。

物理负载电容法的问题是，如果我们更深入地看一下它的“优点”就会问，如果它足以进行精确测量，那为什么还要查负载电容表呢？答案显而易见：这个方法还不够好，但因为看起来没有其它更好的方法，所以我们只能接受它。

该方法之所以难于达到所需的精确度是因为：

·寄生分量(CX和CY)对精度的影响很大，并且很难补偿。

·IEC 标准定义了一个具有最小寄生分量(CX和CY)的“理想”测试夹具，但“理想”测试夹具不适用于大批量自动测量，所以“最小寄生”很难得到。由于寄生分量过大，“理想”测试夹具中可变负载电容会危及夹具的“理想”状态。·许多工程师作了很多努力试图补偿CX和CY以达到一个可接受的水平，但一切努力都无果而终。

·更深入地看一下问题的实质会发现，寄生分量并不限于CX和CY，它可能包括具有LX和LY等的整个电路，这就是为什么我们使用的表也将频率列为一个变量。

该方法主要技术难点在于，有关校正物理负载电容以及在晶振与电容结合处补偿寄生电容和电感的技术问题仍然有很大部分没有解决。

直接阻抗法

从电路应用的观点看，如果要求加上指定负载电容后达到负载谐振频率，意味着晶振必须在规定的负载谐振频率处表现为一个电感，即被测器件阻抗=-负载电容阻抗。

这是一个基本要求，只要有可能晶振应在完全符合这一要求的条件下进行测试，而不应有任何估计，直接阻抗方法就是基于这一基本原则。直接阻抗法的测试设置非常简单，如图4所示：

·将被测器件放入π型网络测试前端。

·使用与IEC444测量Co、Fr和Rr相同的硬件配置。

·将频率综合仪的频率反复搜索直到被测器件阻抗=-负载电容阻抗。

·根据FL、Fr和Co计算其它动态参数L1和C1。

这种方法的主要优点是在最终使用的负载电容条件下测量晶振，没有太多估计，因此就算晶振是非线性也不会有什么问题。

另外即使不知道负载电容也不必校正CX和CY(或者LX、LY等)，它能够保证精度和再现性，不仅仅只是可重复性。同时Fr、Fs、FL、Rr和Rs全部一次测量完，使DLD和寄生响应测量更容易更精确。

使用这种方法时，还有其它一些考虑因素，包括：

1．软件校正和寄生分量补偿

IEC 444标准不要求用软件技术进行明确的寄生分量补偿和校正，而是更依赖于完好的测试前端。因为没有适当软件补偿，IEC 444标准只能用理想测试前端在低阻抗处进行测量，但这样一个具有最小寄生分量的测试前端在大批量生产中是不切实际的，这就是为什么大多数实际测量系统在一定程度上都使用了软件技术补偿寄生电抗分量。

直接阻抗测量法需要更全面的π型前端模型和大量数学计算，幸好如今的计算机/网络分析仪的速度和成本能使这一要求得以实现。必须正确使用这种方法，否则系统将无法在测量高阻抗时得到良好的重复性、再现性和精度。

2．驱动电平

在测量负载谐振频率时，直接阻抗法所需电压幅值要比用同样硬件设置的其它方法大得多。好在测量Fr/Fs时也可以获得同样的驱动电平，因此驱动电平相关性和寄生比率测试能够非常精确，为质量差的晶振提供了安全防护。此外加上一个商用功率放大器后(成本在几百美元到上千美元之间)，该方法的实用驱动电平在CL =20pF、20MHz条件下可高达400mW以上。

无源测量驱动电平的精度(IEC444和EIA512标准)一直有着一个问题，即在通常一秒钟测试时间中，大多数迭代搜索并没有将目标驱动功率加在被测器件上，而是直到测最后几个读数时才可能施加目标驱动功率，但这些读数只有几毫秒或几分之一毫秒的时间。上述所有测试方法都有这样的问题。

测试数据比较

我们采用直接阻抗测量法，但使用不同的网络分析仪、测试前端、频率和负载电容进行测量，用得到的测试数据来验证测试方法的效果。

对于重复性和再现性测试，我们使用的装置包括：

·两种网络分析仪，分别是HP E5100A和Kolinker KH1200，两者都装有内部频率参考，并进行过热机和校正。

·四种测试夹具，编为1号到4号(图5)，包括一个符合IEC标准的夹具和三个适用于批量生产的夹具。

·一个11.150MHz HC49US晶振，对于Fs和FL在CL=10、20和30pF时用上述网络分析仪和测试夹具分别组合，每个组合测1,400次。

对于精度测试，除了使用上面的测试数据外，还有些其它条件：

·使用物理负载电容法，用一个8.725pF固定负载电容，对主要参数不使用软件补偿。

·使用物理负载电容法，用一个可变负载电容，调至10pF，对主要参数不使用软件补偿。

测试得到的原始数据量非常大，每组数据平均值和标准差见表1到表3。

对于重复性和再现性，表1和表2显示出直接阻抗法重复性和再现性都很好，对Ts大至30到40ppm/pF的晶振，在|0.2pF|范围内结果良好。对于精度，表3显示这种方法相对于理想测试夹具(小寄生分量)能得到更好的精度(在|0.2pF|内良好)，但对于使用非理想测试夹具的物理负载电容法(可变负载电容，大寄生分量)两者无法比较。

这些数据显示直接阻抗法由于在不同硬件配置下的重复性、再现性和精度而值得更多关注，但是还应该进行多一些试验以验证不同频率标准所造成的误差及不同晶振样品(有谐波、故意选择的非线性晶振等)所造成的误差。

本文结论

根据上面的原理和试验数据，我们建议对直接阻抗测量法进行更多研究工作，以求进一步提高IEC444 和 EIA512测量标准。

上面的讨论关注负载谐振频率的测量精度是因为这是晶振业界很头疼的事情。我们应该记住直接测量法还能提供精确的Fs、Fr、Co和ESR，这意味着在一次通过测试中我们可测试所有晶振参数，包括DLD、寄生模式、Q值等，无需再插入或改变任何负载电容。应用该方法的设备市面上已经出现，这类设备能够提供所有晶振参数的精确测量值，非常便于用户使用，并且成本也很低。

作者：Arthur Lee

Kenneth Chan

Kolinker工业设备公司