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