中心議題：

• 用直接阻抗法測量晶振負載諧振頻率

解決方案：

• 負載諧振頻率測量法
• 直接阻抗法
• 測試數據比較

對晶振的負載諧振頻率進行測量有很多種方法，直接阻抗法就是其中一種，它使用網絡分析儀
，比物理負載電容法等其它方法更加準確、方便並且成本更低。本文介紹如何使用直接阻抗法進行測量並通過實測數據說明它好於其它測量方法的原因。

在晶振參數測量中，由於Fs和Fr阻抗相對較低，按IEC 444和EIA 512進行Fs/Fr測量沒有什麼困難，問題主要在於負載諧振頻率(FL)的測量，特別是負載電容(CL)很低的時候。晶振在負載諧振頻率處阻抗相對較高
，用50Ω網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)測(ce)量(liang)較(jiao)高(gao)阻(zu)抗(kang)要(yao)求(qiu)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)具(ju)備(bei)很(hen)高(gao)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)高(gao)精(jing)度(du)，一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)這(zhe)樣(yang)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)切(qie)實(shi)際(ji)，成(cheng)本(ben)太(tai)高(gao)

，因(yin)此(ci)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)又(you)開(kai)發(fa)了(le)幾(ji)種(zhong)負(fu)載(zai)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，如(ru)計(ji)算(suan)法(fa)、物理負載電容法等，這些方法設計用於測量低阻抗晶振，這樣就可使用低精度設備。我們下麵先對各種方法作一比較。

負載諧振頻率測量法

1. 計算法
根據IEC 444規定，被測器件(DUT)在約±45°對其動態參數進行測量，負載諧振頻率根據±45°數據“計算”得到。
該方法的優點在於被測器件在相對較低阻抗即接近25Ω處(chu)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)
，因(yin)此(ci)測(ce)試(shi)對(dui)寄(ji)生(sheng)分(fen)量(liang)的(de)軟(ruan)件(jian)補(bu)償(chang)要(yao)求(qiu)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)。它(ta)的(de)缺(que)點(dian)在(zai)於(yu)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)不(bu)是(shi)在(zai)最(zui)終(zhong)使(shi)用(yong)條(tiao)件(jian)下(xia)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，即(ji)不(bu)在(zai)相(xiang)移(yi)等(deng)於(yu)規(gui)定(ding)的(de)CL/FL處進行測試
，如果晶振性能嚴格遵循四器件模型(圖1)
，那麼這個方法也是可以接受的，但當晶振是非線性時(即不符合四器件模型)，FL的測量就不夠精確(圖2)。

如果已經知道被測器件是一個線性晶振


，則可以使用這個方法來測量
；但在大多數場合下

，需要先有一個測試方法來告訴你它是否是線性的，所以計算法不實用，除非你在測試前已經知道晶振是線性的。

那麼晶振的線性度究竟有什麼影響呢？從電路應用觀點來看，隻要晶振有一穩定(可重複)明確的阻抗-頻率曲線
，並且在振蕩器中功能正常，它就是一個好晶振

，是不是線性沒有關係，非線性晶振並不意味著是一個壞晶振。

而晶振設計人員則認為，市場趨勢是向小型化方向發展，如AT帶狀晶振和SMD晶jing振zhen，與yu大da的de圓yuan形xing晶jing振zhen不bu同tong，小xiao型xing晶jing振zhen采cai用yong矩ju形xing坯pi料liao，此ci時shi再zai應ying用yong四si器qi件jian模mo型xing比bi較jiao困kun難nan。不bu過guo測ce量liang有you問wen題ti並bing不bu表biao示shi它ta是shi一yi個ge壞huai晶jing振zhen，隻zhi不bu過guo還hai需xu要yao一yi些xie能neng夠gou在zai不bu涉she及ji非fei線xian性xing條tiao件jian更geng精jing確que測ce量liang晶jing振zhen的de測ce試shi方fang法fa或huo係xi統tong，以yi提ti供gong更geng多duo信xin息xi
，如ru寄ji生sheng模mo式shi在zai不bu同tong溫wen度du下xia對dui晶jing振zhen性xing能neng的de影ying響xiang情qing況kuang等deng。

從(cong)晶(jing)振(zhen)測(ce)量(liang)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，計(ji)算(suan)法(fa)不(bu)適(shi)用(yong)於(yu)測(ce)試(shi)非(fei)線(xian)性(xing)晶(jing)振(zhen)，因(yin)為(wei)測(ce)量(liang)精(jing)確(que)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)晶(jing)振(zhen)特(te)性(xing)，而(er)它(ta)的(de)差(cha)異(yi)很(hen)大(da)，如(ru)果(guo)存(cun)在(zai)其(qi)它(ta)適(shi)用(yong)的(de)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan)就(jiu)應(ying)該(gai)放(fang)棄(qi)使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)

2. 物理負載電容法
如IEC 444標biao準zhun所suo述shu，該gai方fang法fa的de基ji本ben概gai念nian是shi用yong一yi個ge實shi際ji電dian容rong與yu晶jing振zhen串chuan聯lian
，然ran後hou在zai指zhi定ding負fu載zai電dian容rong下xia測ce量liang晶jing振zhen
，並bing對dui兩liang者zhe同tong時shi進jin行xing測ce量liang。這zhe與yu計ji算suan法fa相xiang比bi是shi一yi個ge很hen大da的de改gai進jin，因yin為wei沒mei有you過guo多duo估gu計ji

，而er且qie網wang絡luo分fen析xi儀yi是shi在zai相xiang對dui較jiao低di的de阻zu抗kang上shang測ce量liang負fu載zai諧xie振zhen頻pin率lv(圖3)。

該方法已被廣泛采用
，它有下麵一些優點：

• 相比於計算法，負載諧振頻率具有良好的可重複性。
• 不同機器之間可通過調整物理負載電容很容易實現一致，無需改變任何軟件參數
  ，隻要有一張按不同用戶、供應商
  、設備、頻率、測試前端配置等做出的負載電容對照表即可。
• 測量速度較快

但它也有一個明顯的缺點

，即串聯諧振頻率(Fr)、諧振電阻(Rr)和靜態電容(Co)zhibunengtongguoyiciceshijingquededao，beiceqijianbixuceliangci，jizhuangshanghebuzhuangfuzaidianrongjinxingceshi，zheyangsuoyoucanshucainengdadaoyidingdejingdu，danzhexieceliangzaizuowanqudongdianpingxiangguanxing(DLD)和寄生模式測量後非常困難(根據IEC 444-6

，DLD和寄生測量兩者都是基於串行測量而不是負載測量的)。

物理負載電容法的問題是
，如果我們更深入地看一下它的“優點”就會問，如果它足以進行精確測量，那為什麼還要查負載電容表呢
？答案顯而易見：這個方法還不夠好，但因為看起來沒有其它更好的方法
，所以我們隻能接受它。
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該方法之所以難於達到所需的精確度是因為：

• 寄生分量(CX和CY)對精度的影響很大
  ，並且很難補償。
• IEC 標準定義了一個具有最小寄生分量(CX和CY)的“理想”測試夾具，但“理想”測試夾具不適用於大批量自動測量，所以“最小寄生”很難得到。由於寄生分量過大，“理想”測試夾具中可變負載電容會危及夾具的“理想”狀態。·許多工程師作了很多努力試圖補償CX和CY以達到一個可接受的水平，但一切努力都無果而終。
• 更深入地看一下問題的實質會發現
  
  ，寄生分量並不限於CX和CY
  ，它可能包括具有LX和LY等的整個電路，這就是為什麼我們使用的表也將頻率列為一個變量。

該方法主要技術難點在於

，有關校正物理負載電容以及在晶振與電容結合處補償寄生電容和電感的技術問題仍然有很大部分沒有解決。

直接阻抗法

從(cong)電(dian)路(lu)應(ying)用(yong)的(de)觀(guan)點(dian)看(kan)
，如(ru)果(guo)要(yao)求(qiu)加(jia)上(shang)指(zhi)定(ding)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)後(hou)達(da)到(dao)負(fu)載(zai)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)，意(yi)味(wei)著(zhe)晶(jing)振(zhen)必(bi)須(xu)在(zai)規(gui)定(ding)的(de)負(fu)載(zai)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)處(chu)表(biao)現(xian)為(wei)一(yi)個(ge)電(dian)感(gan)，即(ji)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)阻(zu)抗(kang)=-負載電容阻抗。

zheshiyigejibenyaoqiu，zhiyaoyoukenengjingzhenyingzaiwanquanfuhezheyiyaoqiudetiaojianxiajinxingceshi，erbuyingyourenheguji，zhijiezukangfangfajiushijiyuzheyijibenyuanze。zhijiezukangfadeceshishezhifeichangjiandan，rutu4所示：

• 將被測器件放入π型網絡測試前端。
• 使用與IEC444測量Co、Fr和Rr相同的硬件配置。
• 將頻率綜合儀的頻率反複搜索直到被測器件阻抗=-負載電容阻抗。
• 根據FL、Fr和Co計算其它動態參數L1和C1。

這種方法的主要優點是在最終使用的負載電容條件下測量晶振
，沒有太多估計，因此就算晶振是非線性也不會有什麼問題。

另外即使不知道負載電容也不必校正CX和CY(或者LX、LY等)，它能夠保證精度和再現性，不僅僅隻是可重複性。同時Fr
、Fs、FL
、Rr和Rs全部一次測量完，使DLD和寄生響應測量更容易更精確。

使用這種方法時，還有其它一些考慮因素，包括：

1．軟件校正和寄生分量補償
IEC 444標準不要求用軟件技術進行明確的寄生分量補償和校正
，而是更依賴於完好的測試前端。因為沒有適當軟件補償
，IEC 444biaozhunzhinengyonglixiangceshiqianduanzaidizukangchujinxingceliang，danzheyangyigejuyouzuixiaojishengfenliangdeceshiqianduanzaidapiliangshengchanzhongshibuqieshijide，zhejiushiweishenmedaduoshushijiceliangxitongzaiyidingchengdushangdoushiyongleruanjianjishubuchangjishengdiankangfenliang。

直接阻抗測量法需要更全麵的π型前端模型和大量數學計算，幸好如今的計算機/網絡分析儀的速度和成本能使這一要求得以實現。必須正確使用這種方法
，否則係統將無法在測量高阻抗時得到良好的重複性、再現性和精度。

2．驅動電平
在測量負載諧振頻率時，直接阻抗法所需電壓幅值要比用同樣硬件設置的其它方法大得多。好在測量Fr/Fs時(shi)也(ye)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)同(tong)樣(yang)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)平(ping)，因(yin)此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)平(ping)相(xiang)關(guan)性(xing)和(he)寄(ji)生(sheng)比(bi)率(lv)測(ce)試(shi)能(neng)夠(gou)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)
，為(wei)質(zhi)量(liang)差(cha)的(de)晶(jing)振(zhen)提(ti)供(gong)了(le)安(an)全(quan)防(fang)護(hu)。此(ci)外(wai)加(jia)上(shang)一(yi)個(ge)商(shang)用(yong)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)後(hou)(成本在幾百美元到上千美元之間)，該方法的實用驅動電平在CL =20pF、20MHz條件下可高達400mW以上。

無源測量驅動電平的精度(IEC444和EIA512標準)一yi直zhi有you著zhe一yi個ge問wen題ti，即ji在zai通tong常chang一yi秒miao鍾zhong測ce試shi時shi間jian中zhong，大da多duo數shu迭die代dai搜sou索suo並bing沒mei有you將jiang目mu標biao驅qu動dong功gong率lv加jia在zai被bei測ce器qi件jian上shang，而er是shi直zhi到dao測ce最zui後hou幾ji個ge讀du數shu時shi才cai可ke能neng施shi加jia目mu標biao驅qu動dong功gong率lv


，但dan這zhe些xie讀du數shu隻zhi有you幾ji毫hao秒miao或huo幾ji分fen之zhi一yi毫hao秒miao的de時shi間jian。上shang述shu所suo有you測ce試shi方fang法fa都dou有you這zhe樣yang的de問wen題ti。

測試數據比較

我們采用直接阻抗測量法，但使用不同的網絡分析儀、測試前端、頻率和負載電容進行測量，用得到的測試數據來驗證測試方法的效果。
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對於重複性和再現性測試
，我們使用的裝置包括：

• 兩種網絡分析儀
  ，分別是HP E5100A和Kolinker KH1200
  ，兩者都裝有內部頻率參考，並進行過熱機和校正。
• 四種測試夾具，編為1號到4號(圖5)，包括一個符合IEC標準的夾具和三個適用於批量生產的夾具。
• 一個11.150MHz HC49US晶振，對於Fs和FL在CL=10
  、20和30pF時用上述網絡分析儀和測試夾具分別組合
  
  ，每個組合測1,400次。

對於精度測試
，除了使用上麵的測試數據外

，還有些其它條件：

• 使用物理負載電容法，用一個8.725pF固定負載電容
  
  ，對主要參數不使用軟件補償。
• 使用物理負載電容法
  
  ，用一個可變負載電容，調至10pF，對主要參數不使用軟件補償。

測試得到的原始數據量非常大，每組數據平均值和標準差見表1到表3。

對於重複性和再現性
，表1和表2顯示出直接阻抗法重複性和再現性都很好，對Ts大至30到40ppm/pF的晶振，在|0.2pF|範圍內結果良好。對於精度
，表3顯示這種方法相對於理想測試夾具(小寄生分量)能得到更好的精度(在|0.2pF|內良好)，但對於使用非理想測試夾具的物理負載電容法(可變負載電容
，大寄生分量)兩者無法比較。

這些數據顯示直接阻抗法由於在不同硬件配置下的重複性、再現性和精度而值得更多關注
，但是還應該進行多一些試驗以驗證不同頻率標準所造成的誤差及不同晶振樣品(有諧波、故意選擇的非線性晶振等)所造成的誤差。

本文結論

根據上麵的原理和試驗數據，我們建議對直接阻抗測量法進行更多研究工作，以求進一步提高IEC444 和 EIA512測量標準。

上麵的討論關注負載諧振頻率的測量精度是因為這是晶振業界很頭疼的事情。我們應該記住直接測量法還能提供精確的Fs、Fr、Co和ESR，這意味著在一次通過測試中我們可測試所有晶振參數，包括DLD、寄生模式
、Q值zhi等deng
，無wu需xu再zai插cha入ru或huo改gai變bian任ren何he負fu載zai電dian容rong。應ying用yong該gai方fang法fa的de設she備bei市shi麵mian上shang已yi經jing出chu現xian，這zhe類lei設she備bei能neng夠gou提ti供gong所suo有you晶jing振zhen參can數shu的de精jing確que測ce量liang值zhi
，非fei常chang便bian於yu用yong戶hu使shi用yong

，並bing且qie成cheng本ben也ye很hen低di。