用直接阻抗法测量晶振负载谐振频率

电容结合处补偿寄生电容和电感的技术问题仍然有很大部分没有解决。

直接阻抗法

从电路应用的观点看，如果要求加上指定负载电容后达到负载谐振频率，意味着晶振必须在规定的负载谐振频率处表现为一个电感，即被测器件阻抗=-负载电容阻抗。

这是一个基本要求，只要有可能晶振应在完全符合这一要求的条件下进行测试，而不应有任何估计，直接阻抗方法就是基于这一基本原则。直接阻抗法的测试设置非常简单，如图4所示：

·将被测器件放入π型网络测试前端。

·使用与IEC444测量Co、Fr和Rr相同的硬件配置。

·将频率综合仪的频率反复搜索直到被测器件阻抗=-负载电容阻抗。

·根据FL、Fr和Co计算其它动态参数L1和C1。

这种方法的主要优点是在最终使用的负载电容条件下测量晶振，没有太多估计，因此就算晶振是非线性也不会有什么问题。

另外即使不知道负载电容也不必校正CX和CY(或者LX、LY等)，它能够保证精度和再现性，不仅仅只是可重复性。同时Fr、Fs、FL、Rr和Rs全部一次测量完，使DLD和寄生响应测量更容易更精确。

使用这种方法时，还有其它一些考虑因素，包括：

1．软件校正和寄生分量补偿

IEC 444标准不要求用软件技术进行明确的寄生分量补偿和校正，而是更依赖于完好的测试前端。因为没有适当软件补偿，IEC 444标准只能用理想测试前端在低阻抗处进行测量，但这样一个具有最小寄生分量的测试前端在大批量生产中是不切实际的，这就是为什么大多数实际测量系统在 一定程度上都使用了软件技术补偿寄生电抗分量。

直接阻抗测量法需要更全面的π型前端模型和大量数学计算，幸好如今的计算机/网络分析仪的速度和成本能使这一要求得以实现。必须正确使用这种方法，否则系统将无法在测量高阻抗时得到良好的重复性、再现性和精度。

2．驱动电平

在 测量负载谐振频率时，直接阻抗法所需电压幅值要比用同样硬件设置的其它方法大得多。好在测量Fr/Fs时也可以获得同样的驱动电平，因此驱动电平相关性和 寄生比率测试能够非常精确，为质量差的晶振提供了安全防护。此外加上一个商用功率放大器后(成本在几百美元到上千美元之间)，该方法的实用驱动电平在CL =20pF、20MHz条件下可高达400mW以上。

无源测量驱动电平的精度(IEC444和EIA512标准)一直有着一 个问题，即在通常一秒钟测试时间中，大多数迭代搜索并没有将目标驱动功率加在被测器件上，而是直到测最后几个读数时才可能施加目标驱动功率，但这些读数只 有几毫秒或几分之一毫秒的时间。上述所有测试方法都有这样的问题。

测试数据比较

我们采用直接阻抗测量法，但使用不同的网络分析仪、测试前端、频率和负载电容进行测量，用得到的测试数据来验证测试方法的效果。

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