直接阻抗法 - 如何使用直接阻抗法測量晶振負(fù)載諧振頻率

　　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)為一個電感，即被測器件阻抗=-負(fù)載電容阻抗。

　　這是一個基本要求，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，

　　·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，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得到良好的重復(fù)性、再現(xiàn)性和精度。

　　2.驅(qū)動電平

　　在測量負(fù)載諧振頻率時，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時也可以獲得同樣的驅(qū)動電平，因此驅(qū)動電平相關(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)動電平在CL =20pF、20MHz條件下可高達(dá)400mW以上。

　　無源測量驅(qū)動電平的精度(IEC444和EIA512標(biāo)準(zhǔn))一直有著一個問題，即在通常一秒鐘測試時間中，大多數(shù)迭代搜索并沒有將目標(biāo)驅(qū)動功率加在被測器件上，而是直到測最后幾個讀數(shù)時才可能施加目標(biāo)驅(qū)動功率，但這些讀數(shù)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。

　　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，包括一個符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的夾具和三個適用于批量生產(chǎn)的夾具。

　　·一個11.150MHz HC49US晶振，對于Fs和FL在CL=10、20和30pF時用上述網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試夾具分別組合，每個組合測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。

　　對于重復(fù)性和再現(xiàn)性，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。