用直接阻抗法測量晶振負(fù)載諧振頻率

對晶振的負(fù)載諧振頻率進(jìn)行測量有很多種方法，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)行測量并通過實(shí)測數(shù)據(jù)說明它好于其它測量方法的原因。

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

負(fù)載諧振頻率測量法

1. 計(jì)算法

根據(jù)IEC 444規(guī)定，被測器件(DUT)在約±45°對其動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量，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)在于被測器件在相對較低阻抗即接近25Ω處進(jìn)行測量，因此測試對寄生分量的軟件補(bǔ)償要求相對簡單。它的缺點(diǎn)在于被測器件不是在最終使用條件下進(jìn)行測試，即不在相移等于規(guī)定的CL/FL處進(jìn)行測試，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的測量就不夠精確(圖2)。

如果已經(jīng)知道被測器件是一個(gè)線性晶振，則可以使用這個(gè)方法來測量；但在大多數(shù)場合下，需要先有一個(gè)測試方法來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，市場趨勢是向小型化方向發(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。不過測量有問題并不表示它是一個(gè)壞晶振，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(tǒng)，以提供更多信息，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，計(jì)算法不適用于測試非線性晶振，因?yàn)闇y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)載電容下測量晶振，并對兩者同時(shí)進(jìn)行測量。這與計(jì)算法相比是一個(gè)很大的改進(jìn)，因?yàn)闆]有過多估計(jì)，而且網(wǎng)絡(luò)分析儀是在相對較低的阻抗上測量負(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)器之間可通過調(diào)整物理負(fù)載電容很容易實(shí)現(xiàn)一致，無需改變?nèi)魏诬浖?shù)，只要有一張按不同用戶、供應(yīng)商、設(shè)備、頻率、測試前端配置等做出的負(fù)載電容對照表即可。

·測量速度較快

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)值不能通過一次測試精確得到，被測器件必須測兩次，即裝上和不裝負(fù)載電容進(jìn)行測試，這樣所有參數(shù)才能達(dá)到一定的精度，但這些測量在做完驅(qū)動(dòng)電平相關(guān)性(DLD)和寄生模式測量后非常困難(根據(jù)IEC 444-6，DLD和寄生測量兩者都是基于串行測量而不是負(fù)載測量的)。

物理負(fù)載電容法的問題是，如果我們更深入地看一下它的“優(yōu)點(diǎn)”就會問，如果它足以進(jìn)行精確測量，那為什么還要查負(fù)載電容表呢？答案顯而易見：這個(gè)方法還不夠好，但因?yàn)榭雌饋頉]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”測試夾具，但“理想”測試夾具不適用于大批量自動(dòng)測量，所以“最小寄生”很難得到。由于寄生分量過大，“理想”測試夾具中可變負(fù)載電容會危及夾具的“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，但一切努力都無果而終。

·更深入地看一下問題的實(shí)質(zhì)會發(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)問題仍然有很大部分沒有解決。

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。直接阻抗法的測試設(shè)置非常簡單，如圖4所示：

·將被測器件放入π型網(wǎng)絡(luò)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復(fù)搜索直到被測器件阻抗=-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)載電容條件下測量晶振，沒有太多估計(jì)，因此就算晶振是非線性也不會有什么問題。

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全部一次測量完，使DLD和寄生響應(yīng)測量更容易更精確。
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試前端。因?yàn)闆]有適當(dāng)軟件補(bǔ)償，IEC 444標(biāo)準(zhǔn)只能用理想測試前端在低阻抗處進(jìn)行測量，但這樣一個(gè)具有最小寄生分量的測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)將無法在測量高阻抗時(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。

無源測量驅(qū)動(dòng)電平的精度(IEC444和EIA512標(biāo)準(zhǔn))一直有著一個(gè)問題，即在通常一秒鐘測試時(shí)間中，大多數(shù)迭代搜索并沒有將目標(biāo)驅(qū)動(dòng)功率加在被測器件上，而是直到測最后幾個(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。上述所有測試方法都有這樣的問題。

測試數(shù)據(jù)比較

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

對于重復(fù)性和再現(xiàn)性測試，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)行過熱機(jī)和校正。

·四種測試夾具，編為1號到4號(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，對于Fs和FL在CL=10、20和30pF時(shí)用上述網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試夾具分別組合，每個(gè)組合測1,400次。

對于精度測試，除了使用上面的測試數(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，對主要參數(shù)不使用軟件補(bǔ)償。

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

對于重復(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Ts大至30到40ppm/pF的晶振，在|0.2pF|范圍內(nèi)結(jié)果良好。對于精度，表3顯示這種方法相對于理想測試夾具(小寄生分量)能得到更好的精度(在|0.2pF|內(nèi)良好)，但對于使用非理想測試夾具的物理負(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)，我們建議對直接阻抗測量法進(jìn)行更多研究工作，以求進(jìn)一步提高IEC444 和 EIA512測量標(biāo)準(zhǔn)。

上面的討論關(guān)注負(fù)載諧振頻率的測量精度是因?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(shù)，包括DLD、寄生模式、Q值等，無需再插入或改變?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)的精確測量值，非常便于用戶使用，并且成本也很低。