实际电容法石英晶体谐振器负载谐振频率测量技术研究

1、石英晶体谐振器(以下简称石英晶体)是信息产业中关键的频率电子元器件之一，广泛应用于通信技术、 测址技术和汁算机技术等领域.它可为备种应用提供精确定时或时钟基准信号。由于石英晶体具有频率稳 定性好、品质因数商和成木低等特点因而广泛用作时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。随着 讣算机、微电子等行业的飞速发展.对石英晶体元器件的性能提出了更髙的要求.主要表现在谐振频率向 更高方向发展、谐振频率精度要求提商.激励功率更低等。根据石英晶体在实际应用中经常串联一负载电容作为一个整体的频率器件的现状，本论文对实际电容 法石英晶体负载谐振频率的测址进行了研尤c n网络零相位法是国际电匸委员会(IEC)推

2、荐的测试石英晶 体参数的标准方法。木论文介绍了 n网络零相位法测虽:石英晶休员载谐振频率的原理分析了石英晶体夹 具所带來的朵散电容的影响并以类国S3公司的n网络石英晶体测试系统为标准汁算出杂散电容值在后 续测虽中以此值进行校准，使测址结果达到了更高的精度。负载谐振频率的测虽方法主要有以下三种：计算法：首先测试出串联谐振电阻FR、静电容CO和动电容C1的值，然后根据公式汁算出FL的值，由于CO和 C1的测试精度远低于FR的测试精度，所以计算法测出的FL的值精度较低。模拟测试法：该方法首先测试串联谐振频率和动态参数并利用这些参数值讣算出负戦谐振频率，然后将信号源的输 出信号频率调整为该频率并在该频

3、率点上测试石英晶体的阻抗.根据讣算出的在该频率点上石英晶体的阻 抗和实际测试阻抗之间的差界来线性调节信号源输出信号的频率.十两个阻抗值相等时信号源的输出信号 频率即为石英晶体的负載谐振频率o实际电容法：实际电容法是将一个实际负载电容与石英晶体串联后插入n网络的夹具中.然后不断改变输入n网 络的激励信号的频率，并检测两端的相位差，、”I石英晶体处于负戦谐振状态时.71网络两端相位差为零. 此时的频率即为员载谐振频率。十实际负载电容加于71网络时，石英晶体和负載电容之间的连接点成为高 阻抗点，夹具的朵散项对测试结果有重大影响.本论文对这一影响做出了分析。2 7T网络法石英晶体测址原理2. 1 n网

4、络法测虽原理n网络法测址石英晶体电参数原理图如图】所示:66.9M66.9R2VaRlirJ159i14.2图1 71网络原理图VA是输入的激励信号,VB是经过n网络后的输出信号根据石英晶体1：作于谐振频率时呈现纯阻性. 所以通过改变输入信号VA的频率并测址VA与VB的的相位差，、勺相位差为零时.此时的频率即为石英晶体 的串联谐振频率（FR）.如果晶体串联一个电容.则测得的频率就是石英晶体的负载谐振频率（FL）O2.2石英晶体电参数模型O4I I w I|Ri Ci Li石英晶体的等效电参数模型如图2所示：W曲库w? w? ws - ew V图2石英晶体串联负殺电容后等效电路其中.CO称为石英

5、晶体的静电容，由石英晶体两端所镀金屈膜产生，它表征了石英晶体的静态特性, 典型值为lPF10pFo Cl称为动电容.典型值为10-1 pF-10-lpF, L1称为动电感，典型值在10-5H （低 频石英晶体）到10-3H （舟频石英晶体）内。由该图可得串联负载电容后石英晶体的阻抗如下式:Zl = Rl土jL设石英晶休谐振角频率列=1/J厶C,而通常 列1,所以有Acy = a）術,其中,Rt 二 2Ll-A-(l-2LiCi- o)o - Ac?) - Ri2-222 $Xl - - 2 772O * Co R1 + (2 Ll CodiXi A少1 丿创.Co Ri 十(2LiCoeo Z

6、iQ-l)当石英晶体处于负载谐振状态时，xL = o,经过推导可得：少二闵_込+12(6+ Cl)(2)由公式可得负载谐振频率H与串联谐振频率Fr的关系如下式:匕=尸応匚十I当员载电容为Cf吋，由公式可得:联立公式3）和（4）得GW*(Co + Cp)（5）（6）C (6 + CQ(丹-刊)6“(Fp F或由以上公式可以看到，通过一组已知的负戦电容CL和对应的负栽谐振频率FL,那么任意:给出一个负 戦电容CP.由公式（5）就可以得到其对应的负载谐振频率FP同样任意给出一个谐振频率值FP.由公式 （6）就可以得到其对应的负戦电容CP。2.3实际电路中朵散电容的计算在实际的7T网络电路中.石英晶体

7、插在一个导电夹具上进行测址。该夹具存在着分布参数.给测试电路带來了杂散项。这些杂散项对测试有比较大的影响，、勺石英晶体和负载电容串联后接入n网络时.这些影响已不能忽视，设夹具所带來的朵散电容为CX.按以下步骤测虽：首先以250B为标准测得负载电容为CL时对应的负载谐振频率FL,然后在木测试系统中相同负载电容测得负载谐振频率为FP,将FL、CL、FP代入公式(FR和CO可以测fit得到)得到负载电容值CP.此时由 于朵散电容的存在.可得：CP=CL+CX (7)这样就求得了杂散电容值CXc2.4负载谐振频率的测虽设要测址负载电容值为CL下的负载谐振频率，由公式(7)可知，在实际电路中石英晶体应串

8、联的电容 值为CL - CX,此时测址得到的频率即负载谐振频率FL。3测试系统设讣石英晶体负载谐振频率测试系统砍件框图如图3所示：图3石英晶体负载谐振频率测试系统框图il算机通过接口电路控制信号源在石英晶休的谐振频率点附近发出连续变化的频率信号.信号通过插 有石英晶体及负载电容的测试n网络，在频率扫描的过程中不断检测71网络两端信号的相位差，鉴相电 路的作用就是输出一个与输入相位差成反比的电斥信号，这样计算机读取A/D电路转换后的值并确定最大 值所对应的信号的频率，即为要测的石英晶体的负載谐振频率。4实验数据采用木方案，选取负载电容CL值为30pF,以标称频率为16. 9344 MHz的晶体进行il算.得到夹具所造 成的杂散电容CX值为289 pF.测得一组实验数据如下表：表1测试数据分祈晶彬250B本方案串联负载电相对渓差称濟G颈阿）容30 pF测得（1旷）（1切悶测得F匚（HRF31.S43218430861&430891.63121199787011997862-0.6716.934416932450169324510.0629.45294508294502-0.2033.8688338686103S68d320.6540.21G08S8