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1、直接阻抗法測量晶振負載諧振頻率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路分析 儀，比實體負載電容器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 阻抗法進行測量並藉由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，特別是負載電容器（CL）很低的時候。 晶振在負載諧振頻率處阻抗相對較高，用50Q網路分析儀測量較高阻抗要求測量設備具備 很高穩定性和高精密度，一般來說這樣的要求不切實際，成本太高，因此技術人員又開發了
2、幾種負載諧振頻率測量方法，如運算法、實體負載電容器法等，這些方法設計用於測量低阻 抗晶振，這樣就可使用低精密度設備。我們下面先對各種方法作一比較。負載諧振頻率測量法1.運算法根據IEC 444規定，被測元件（DUT）在約45對其動態參數進行測量，負載諧振頻率根據45 數據運算得到。該方法的優點在於被測元件在相對較低阻抗即接近25Q處進行測量，因此測試對寄生分量 的軟體補償要求相對簡單。它的缺點在於被測元件不是在最終使用條件下進行測試，即不在 相移等於規定的CL/FL處進行測試，如果晶振性能嚴格遵循四元件模型（圖1）,那麼這個方 法也是可以接受的，但當晶振是非線性時（即不符合四元件模型），FL的
3、測量就不夠精確（圖 2）。如果已經知道被測元件是一個線性晶振，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，所以運算法不實用，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，只要晶振有一穩定（可重覆）明 確的阻抗-頻率曲線，並且在振盪器中功能正常，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晶振，與 大的圓形晶振不同，小型晶振採用矩形坯料，此時再應用四元件模型比較困難。不過測量有 問題並不表示它是一個壞晶振
4、，只不過還需要一些能夠在不涉及非線性條件更精確測量晶振 的測試方法或系統，以提供更多資訊，如寄生模式在不同溫度下對晶振性能的影響情況等。從晶振測量角度來看，運算法不適用於測試非線性晶振，因為測量精確度取決於晶振特性， 而它的差異很大，如果存在其它適用的測試手段就應該放棄使用這種方法2.實體負載電容器法如|EC 444標準所述，該方法的基本概念是用一個實際電容器與晶振串聯，然後在 指定負載電容器下測量晶振，並對兩者同時進行測量。這與運算法相較是一個很大 的改進，因為沒有過多估計，而且網路分析儀是在相對較低的阻抗上測量負載諧振頻率（圖3）。該方法已被廣泛採用，它有下面一些優點:相較於運算法，負載諧
5、振頻率具有良好的可重覆性。不同機器之間可藉由調整實體負載電容器很容易實現一致，無需改變任何軟體參數，只要 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器對照表即可。-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）和靜態電容器（Co）值不能經 由一次測試精確獲得，被測元件必須測兩次，即裝上和不裝負載電容器進行測試，這樣所有 參數才能達到一定的精密度，但這些測量在做完驅動電平相關性: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列測量而不是負載測量的）。實體負載電容器法的問題是，如果我們更深入地看一下
6、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器表呢？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，所以我們只能接受它。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）對精密度的影響很大，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 變負載電容器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
7、，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，有關校正實體負載電容器以及在晶振與電容器結合處補償寄生電 容器和電感的技術問題仍然有很大部份沒有解決。直接阻抗法從電路應用的觀點看，如果要求加上指定負載電容器後達到負載諧振頻率，意味著晶振必須 在規定的負載諧振頻率處表現為一個電感，即被測元件阻抗=-負載電容器阻抗。這是一個基本要求，只要有可能晶振應在完全符合這一要求的條件下進行測試，而不應有任 何估計，直接阻抗方法就是基於這一基本原則。直接阻抗法的測試設置非常簡單，如圖4 所示：測元件阻抗=-負載電容器阻抗。根據FL、Fr和Co運算
8、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器條件下測量晶振，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器也不必校正CX和CY（或者LX、LY等），它能夠保證精密度和 再現性，不僅僅只是可重覆性。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 軟體校正和寄生分量補償IEC 444標準不要求用軟體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。因為沒有適當軟體補償，IEC 444標準只能用理想測試前端在低阻抗處進行測量，但 這樣一個具有最小寄
9、生分量的測試前端在大量產中是不切實際的，這就是為什麼大多數實際 測量系統在一定程度上都使用了軟體技術補償寄生電抗分量。直接阻抗測量法需要更全面的n型前端模型和大量數學運算，幸好如今的電腦/網路分析 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，否則系統將無法在測量高 阻抗時得到良好的重覆性、再現性和精密度。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體設置的其它方法大得多。 好在測量Fr/Fs時也可以獲得同樣的驅動電平，因此驅動電平相關性和寄生比率測試能夠非 常精確，為品質差的晶振提供了安全防護。此外加上一個商用功率放大器後（成本在幾百美 元到上千美元之間）
10、，該方法的實用驅動電平在CL=20pF、20MHz條件下可高達400mW以 上。測試數據比較被動測量驅動電平的精密度（IEC444和EIA512標準）一直有著一個問題，即在通常一秒鐘測 試時間中，大多數迴圈搜索並沒有將目標驅動功率加在被測元件上，而是直到測最後幾個讀 數時才可能施加目標驅動功率，但這些讀數只有幾毫秒或幾分之一毫秒的時間。上述所有測 試方法都有這樣的問題。我們採用直接阻抗測量法，但 使用不同的網路分析儀、測試 前端、頻率和負載電容器進行 測量，用得到的測試數據來驗 證測試方法的效果。對於重覆性和再現性測試，我們使用的裝置包括:兩種網路分析儀，分別是HP E5100A和Kolink
11、er 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量產 的夾具。一個11.150MHz HC49US晶振，對於Fs和FL在CL=10、20和30pF時用上述網路分析 儀和測試夾具分別組合，每個組合測1,400次。對於精密度測試，除了使用上面的測試數據外，還有些其它條件：使用實體負載電容器法，用一個8.725pF固定負載電容器，對主要參數不使用軟體補償。使用實體負載電容器法，用一個可變負載電容器，調至10pF，對主要參數不使用軟體補償。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
12、重覆性和再現性，表1和表2顯示出直接阻抗法重覆性和再現性都很好，對Ts大至30 到40ppm/pF的晶振，在|0.2pF|範圍內結果良好。對於精密度，表3顯示這種方法相對於 理想測試夾具（小寄生分量）能得到更好的精密度（在|0.2pF|內良好），但對於使用非理想測試 夾具的實體負載電容器法（可變負載電容器，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體配置下的重覆性、再現性和精密度而值得更多關注, 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 根據上面的原理和試驗數據，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。上面的討論關注負載諧振頻率的測量精密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，這意味著在一次藉由測試中我們可測 試所有晶振參數，包括DLD、寄生模式、Q值等，無需再插入或改變任何負載電容器。應 用該方法的設備市面上已經出現，這類設備能夠提供所有晶振參數的精確測量值，非常便於 用戶使用，並且成本也很低。作者：Arthur LeeKenneth ChanKolinker產業設備公司
