用直接阻抗法測(cè)量晶振負(fù)載諧振頻率

對(duì)晶振的負(fù)載諧振頻率進(jìn)行測(cè)量有很多種方法，直接阻抗法就是其中一種，它使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，比物理負(fù)載電容法等其它方法更加準(zhǔn)確、方便并且成本更低。本文介紹如何使用直接阻抗法進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明它好于其它測(cè)量方法的原因。

在 晶振參數(shù)測(cè)量中，由于Fs和Fr阻抗相對(duì)較低，按IEC 444和EIA 512進(jìn)行Fs/Fr測(cè)量沒(méi)有什么困難，問(wèn)題主要在于負(fù)載諧振頻率(FL)的測(cè)量，特別是負(fù)載電容(CL)很低的時(shí)候。晶振在負(fù)載諧振頻率處阻抗相對(duì)較高，用50Ω網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量較高阻抗要求測(cè)量設(shè)備具備很高穩(wěn)定性和高精度，一般來(lái)說(shuō)這樣的要求不切實(shí)際，成本太高，因此技術(shù)人員又開(kāi)發(fā)了幾種負(fù)載諧振頻率測(cè)量方法，如計(jì)算法、物理負(fù)載電容法等，這些方法設(shè)計(jì)用于測(cè)量低阻抗晶振，這樣就可使用低精度設(shè)備。我們下面先對(duì)各種方法作一比較。

負(fù)載諧振頻率測(cè)量法

1. 計(jì)算法

根據(jù)IEC 444規(guī)定，被測(cè)器件(DUT)在約±45°對(duì)其動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，負(fù)載諧振頻率根據(jù)±45°數(shù)據(jù)“計(jì)算”得到。

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于被測(cè)器件在相對(duì)較低阻抗即接近25Ω處進(jìn)行測(cè)量，因此測(cè)試對(duì)寄生分量的軟件補(bǔ)償要求相對(duì)簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)在于被測(cè)器件不是在最終使用條件下進(jìn)行測(cè)試，即不在相移等于規(guī)定的CL/FL處進(jìn)行測(cè)試，如果晶振性能嚴(yán)格遵循四器件模型(圖1)，那么這個(gè)方法也是可以接受的，但當(dāng)晶振是非線性時(shí)(即不符合四器件模型)，F(xiàn)L的測(cè)量就不夠精確(圖2)。

如果已經(jīng)知道被測(cè)器件是一個(gè)線性晶振，則可以使用這個(gè)方法來(lái)測(cè)量；但在大多數(shù)場(chǎng)合下，需要先有一個(gè)測(cè)試方法來(lái)告訴你它是否是線性的，所以計(jì)算法不實(shí)用，除非你在測(cè)試前已經(jīng)知道晶振是線性的。

那么晶振的線性度究竟有什么影響呢？從電路應(yīng)用觀點(diǎn)來(lái)看，只要晶振有一穩(wěn)定(可重復(fù))明確的阻抗-頻率曲線，并且在振蕩器中功能正常，它就是一個(gè)好晶振，是不是線性沒(méi)有關(guān)系，非線性晶振并不意味著是一個(gè)壞晶振。

而晶振設(shè)計(jì)人員則認(rèn)為，市場(chǎng)趨勢(shì)是向小型化方向發(fā)展，如AT帶狀晶振和SMD晶振，與大的圓形晶振不同，小型晶振采用矩形坯料，此時(shí)再應(yīng)用四器件模型比較困難。不過(guò)測(cè)量有問(wèn)題并不表示它是一個(gè)壞晶振，只不過(guò)還需要一些能夠在不涉及非線性條件更精確測(cè)量晶振的測(cè)試方法或系統(tǒng)，以提供更多信息，如寄生模式在不同溫度下對(duì)晶振性能的影響情況等。

從晶振測(cè)量角度來(lái)看，計(jì)算法不適用于測(cè)試非線性晶振，因?yàn)闇y(cè)量精確度取決于晶振特性，而它的差異很大，如果存在其它適用的測(cè)試手段就應(yīng)該放棄使用這種方法

2. 物理負(fù)載電容法

如IEC 444標(biāo)準(zhǔn)所述，該方法的基本概念是用一個(gè)實(shí)際電容與晶振串聯(lián)，然后在指定負(fù)載電容下測(cè)量晶振，并對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。這與計(jì)算法相比是一個(gè)很大的改進(jìn)，因?yàn)闆](méi)有過(guò)多估計(jì)，而且網(wǎng)絡(luò)分析儀是在相對(duì)較低的阻抗上測(cè)量負(fù)載諧振頻率(圖3)。

該方法已被廣泛采用，它有下面一些優(yōu)點(diǎn)：

·相比于計(jì)算法，負(fù)載諧振頻率具有良好的可重復(fù)性。

·不同機(jī)器之間可通過(guò)調(diào)整物理負(fù)載電容很容易實(shí)現(xiàn)一致，無(wú)需改變?nèi)魏诬浖?shù)，只要有一張按不同用戶、供應(yīng)商、設(shè)備、頻率、測(cè)試前端配置等做出的負(fù)載電容對(duì)照表即可。

·測(cè)量速度較快

但它也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即串聯(lián)諧振頻率(Fr)、諧振電阻(Rr)和靜態(tài)電容(Co)值不能通過(guò)一次測(cè)試精確得到，被測(cè)器件必須測(cè)兩次，即裝上和不裝負(fù)載電容進(jìn)行測(cè)試，這樣所有參數(shù)才能達(dá)到一定的精度，但這些測(cè)量在做完驅(qū)動(dòng)電平相關(guān)性(DLD)和寄生模式測(cè)量后非常困難(根據(jù)IEC 444-6，DLD和寄生測(cè)量?jī)烧叨际腔诖袦y(cè)量而不是負(fù)載測(cè)量的)。

物理負(fù)載電容法的問(wèn)題是，如果我們更深入地看一下它的“優(yōu)點(diǎn)”就會(huì)問(wèn)，如果它足以進(jìn)行精確測(cè)量，那為什么還要查負(fù)載電容表呢？答案顯而易見(jiàn)：這個(gè)方法還不夠好，但因?yàn)榭雌饋?lái)沒(méi)有其它更好的方法，所以我們只能接受它。

該方法之所以難于達(dá)到所需的精確度是因?yàn)椋?/p>

·寄生分量(CX和CY)對(duì)精度的影響很大，并且很難補(bǔ)償。

·IEC 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)具有最小寄生分量(CX和CY)的“理想”測(cè)試夾具，但“理想”測(cè)試夾具不適用于大批量自動(dòng)測(cè)量，所以“最小寄生”很難得到。由于寄生分量過(guò)大，“理想”測(cè)試夾具中可變負(fù)載電容會(huì)危及夾具的“理想”狀態(tài)。·許多工程師作了很多努力試圖補(bǔ)償CX和CY以達(dá)到一個(gè)可接受的水平，但一切努力都無(wú)果而終。

·更深入地看一下問(wèn)題的實(shí)質(zhì)會(huì)發(fā)現(xiàn)，寄生分量并不限于CX和CY，它可能包括具有LX和LY等的整個(gè)電路，這就是為什么我們使用的表也將頻率列為一個(gè)變量。

該方法主要技術(shù)難點(diǎn)在于，有關(guān)校正物理負(fù)載電容以及在晶振與電容結(jié)合處補(bǔ)償寄生電容和電感的技術(shù)問(wèn)題仍然有很大部分沒(méi)有解決。

直接阻抗法

從電路應(yīng)用的觀點(diǎn)看，如果要求加上指定負(fù)載電容后達(dá)到負(fù)載諧振頻率，意味著晶振必須在規(guī)定的負(fù)載諧振頻率處表現(xiàn)為一個(gè)電感，即被測(cè)器件阻抗=-負(fù)載電容阻抗。

這是一個(gè)基本要求，只要有可能晶振應(yīng)在完全符合這一要求的條件下進(jìn)行測(cè)試，而不應(yīng)有任何估計(jì)，直接阻抗方法就是基于這一基本原則。直接阻抗法的測(cè)試設(shè)置非常簡(jiǎn)單，如圖4所示：

·將被測(cè)器件放入π型網(wǎng)絡(luò)測(cè)試前端。

·使用與IEC444測(cè)量Co、Fr和Rr相同的硬件配置。

·將頻率綜合儀的頻率反復(fù)搜索直到被測(cè)器件阻抗=-負(fù)載電容阻抗。

·根據(jù)FL、Fr和Co計(jì)算其它動(dòng)態(tài)參數(shù)L1和C1。

這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是在最終使用的負(fù)載電容條件下測(cè)量晶振，沒(méi)有太多估計(jì)，因此就算晶振是非線性也不會(huì)有什么問(wèn)題。

另外即使不知道負(fù)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(xiàn)性，不僅僅只是可重復(fù)性。同時(shí)Fr、Fs、FL、Rr和Rs全部一次測(cè)量完，使DLD和寄生響應(yīng)測(cè)量更容易更精確。
使用這種方法時(shí)，還有其它一些考慮因素，包括：

1．軟件校正和寄生分量補(bǔ)償

IEC 444標(biāo)準(zhǔn)不要求用軟件技術(shù)進(jìn)行明確的寄生分量補(bǔ)償和校正，而是更依賴于完好的測(cè)試前端。因?yàn)闆](méi)有適當(dāng)軟件補(bǔ)償，IEC 444標(biāo)準(zhǔn)只能用理想測(cè)試前端在低阻抗處進(jìn)行測(cè)量，但這樣一個(gè)具有最小寄生分量的測(cè)試前端在大批量生產(chǎn)中是不切實(shí)際的，這就是為什么大多數(shù)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)在一定程度上都使用了軟件技術(shù)補(bǔ)償寄生電抗分量。

直接阻抗測(cè)量法需要更全面的π型前端模型和大量數(shù)學(xué)計(jì)算，幸好如今的計(jì)算機(jī)/網(wǎng)絡(luò)分析儀的速度和成本能使這一要求得以實(shí)現(xiàn)。必須正確使用這種方法，否則系統(tǒng)將無(wú)法在測(cè)量高阻抗時(shí)得到良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性和精度。

2．驅(qū)動(dòng)電平

在測(cè)量負(fù)載諧振頻率時(shí)，直接阻抗法所需電壓幅值要比用同樣硬件設(shè)置的其它方法大得多。好在測(cè)量Fr/Fs時(shí)也可以獲得同樣的驅(qū)動(dòng)電平，因此驅(qū)動(dòng)電平相關(guān)性和寄生比率測(cè)試能夠非常精確，為質(zhì)量差的晶振提供了安全防護(hù)。此外加上一個(gè)商用功率放大器后(成本在幾百美元到上千美元之間)，該方法的實(shí)用驅(qū)動(dòng)電平在CL =20pF、20MHz條件下可高達(dá)400mW以上。

無(wú)源測(cè)量驅(qū)動(dòng)電平的精度(IEC444和EIA512標(biāo)準(zhǔn))一直有著一個(gè)問(wèn)題，即在通常一秒鐘測(cè)試時(shí)間中，大多數(shù)迭代搜索并沒(méi)有將目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率加在被測(cè)器件上，而是直到測(cè)最后幾個(gè)讀數(shù)時(shí)才可能施加目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率，但這些讀數(shù)只有幾毫秒或幾分之一毫秒的時(shí)間。上述所有測(cè)試方法都有這樣的問(wèn)題。

測(cè)試數(shù)據(jù)比較

我們采用直接阻抗測(cè)量法，但使用不同的網(wǎng)絡(luò)分析儀、測(cè)試前端、頻率和負(fù)載電容進(jìn)行測(cè)量，用得到的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證測(cè)試方法的效果。

對(duì)于重復(fù)性和再現(xiàn)性測(cè)試，我們使用的裝置包括：

·兩種網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別是HP E5100A和Kolinker KH1200，兩者都裝有內(nèi)部頻率參考，并進(jìn)行過(guò)熱機(jī)和校正。

·四種測(cè)試夾具，編為1號(hào)到4號(hào)(圖5)，包括一個(gè)符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的夾具和三個(gè)適用于批量生產(chǎn)的夾具。

·一個(gè)11.150MHz HC49US晶振，對(duì)于Fs和FL在CL=10、20和30pF時(shí)用上述網(wǎng)絡(luò)分析儀和測(cè)試夾具分別組合，每個(gè)組合測(cè)1,400次。

對(duì)于精度測(cè)試，除了使用上面的測(cè)試數(shù)據(jù)外，還有些其它條件：

·使用物理負(fù)載電容法，用一個(gè)8.725pF固定負(fù)載電容，對(duì)主要參數(shù)不使用軟件補(bǔ)償。

·使用物理負(fù)載電容法，用一個(gè)可變負(fù)載電容，調(diào)至10pF，對(duì)主要參數(shù)不使用軟件補(bǔ)償。

測(cè)試得到的原始數(shù)據(jù)量非常大，每組數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表1到表3。

對(duì)于重復(fù)性和再現(xiàn)性，表1和表2顯示出直接阻抗法重復(fù)性和再現(xiàn)性都很好，對(duì)Ts大至30到40ppm/pF的晶振，在|0.2pF|范圍內(nèi)結(jié)果良好。對(duì)于精度，表3顯示這種方法相對(duì)于理想測(cè)試夾具(小寄生分量)能得到更好的精度(在|0.2pF|內(nèi)良好)，但對(duì)于使用非理想測(cè)試夾具的物理負(fù)載電容法(可變負(fù)載電容，大寄生分量)兩者無(wú)法比較。

這些數(shù)據(jù)顯示直接阻抗法由于在不同硬件配置下的重復(fù)性、再現(xiàn)性和精度而值得更多關(guān)注，但是還應(yīng)該進(jìn)行多一些試驗(yàn)以驗(yàn)證不同頻率標(biāo)準(zhǔn)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(jié)論

根據(jù)上面的原理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們建議對(duì)直接阻抗測(cè)量法進(jìn)行更多研究工作，以求進(jìn)一步提高IEC444 和 EIA512測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

上面的討論關(guān)注負(fù)載諧振頻率的測(cè)量精度是因?yàn)檫@是晶振業(yè)界很頭疼的事情。我們應(yīng)該記住直接測(cè)量法還能提供精確的Fs、Fr、Co和ESR，這意味著在一次通過(guò)測(cè)試中我們可測(cè)試所有晶振參數(shù)，包括DLD、寄生模式、Q值等，無(wú)需再插入或改變?nèi)魏呜?fù)載電容。應(yīng)用該方法的設(shè)備市面上已經(jīng)出現(xiàn)，這類設(shè)備能夠提供所有晶振參數(shù)的精確測(cè)量值，非常便于用戶使用，并且成本也很低。