直接阻抗法测量晶振负载谐振频率

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50Q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25Q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。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50Q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25Q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。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。