【电子行业标准(SJ)】 石英晶体元件参数的测量 第5部分：采用自动网络分析技术和误差校正确定等效电参数的方法

中华人民共和国电子行业标准
SJ/T11211—1999
idt IEC444 -5: 1995
石英晶体元件参数的测量
第5部分：采用自动网络分析
技术和误差校正确定等效
电参数的方法
Measurementof quartzcrystalunitparametersPart 5: Method for the determination of equivalent electricalparameters using automatic network analyzertechniquesanderrorcorrection1999-08-26发布
1999-12-01实施
中华人民共和国信息产业部发布前言
EC前言
1范围
2引言
2.1概述
2.2导纳测量法
导纳分析和等效电路参数的估算2.3
2.4引用标准
3测量程序
环境控制
激励电平
Co测量
测量频率的选择
数据采集
数据修正
导纳计算
导纳分析和等效电路参数的计算4导纳测量法的选择
单端口s参数反射法的优缺点
4.3两端口9参数传输法的优缺点4.4直接传输法的优缺点
5校准技术
5.19参数法…
5.2直接传输法
5.3校验
6低频测量
7导纳分析和等效电路参数的估算7.1一般最小二乘拟合法
线性最小二乘拟合法
圆拟合法·
两点送代法
8测量误差，仪器和测试架
8.1测量
8.2测量条件
8.3重现性.
8.4测量和测试架
附录A（标准的附录）校准
附录B（提示的附录）低频测量
附录C（提示的附录）文献目录
本标准等同采用IEC444一5：1995《石英晶体元件参数的测量：采用自动网络分析技术和误差校正确定等效电参数的方法》。这样，使我国石英晶体元件参数测量的电子行业标准与EC石英晶体元件参数的测量标准相-致，以适应此领域中国际技术交流和经济贸易往来迅速发展的需要，便于我国生产的这类产品质量水平达到国际通用要求并在国际市场流通。本标准与下述五项电子行业标准构成石英晶体元件参数测量的完整系列标准。SJ/Z9154.1-87用元型网络零相位法测量石英晶体元件参数第一部分：用元型网络零相位法测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻基本方法(idtIEC4441:1986）
SI/Z9154.2~87用元型网络零相位法测量石英晶体元件参数第二部分：测量石英晶体元件动态电容的相位偏置法（idtEC444-2：1980）SJ/Z9154.387用元型网络零相位法测石英晶体元件参数第三部分：利用有并电容Co补偿的x型网络相位法测量频率达200MHz的石英晶体元件两端网络参数的基本方法（idtIEC444-3:1986）SJ/T11210一1999石英晶体元件参数的测量第四部分：额率达30MHz石英晶体元件负载谐振频率无和负载谐振电阻R的测量方法及其他导出参数的计算（idtIEC444-5-1988）
石英晶体元件参数的测量第六部分：激励电平相关性（DLD）的SJ/T11212--1999
测量（idt-IEC444-6-1995）
本标准的附录A为标准的附录。
本标准的附录B为提示的附录。
本标准的附录C为提示的附录。
本标准由电子工业部标准化研究所归口。本标准由国营北京晨星无线电器材厂负起草。本标准主要起草人：章怡、宋佩钰、邓鹤松、边林。IEC前言
1）EC（国际电工委员会）是由各国家电工委员会（EC国家委员会）组成的世界性标准化组织。EC的目的是促进电工电子领域中标准化问题的国际合作。为此目的，除其他活动外，IEC发布国际标准。国际标准的制定由技术委员会承担，对所涉及内容关切的任何EC国家委员会均可参加国际标准的制定工作。与IEC有联系的任何国际、政府和非官方组织也可以参加国际标准的制定。EC与国际标准化组织（ISO）根据两组织间协商确定的条件保持密切的合作关系。
2）IEC在技术问题上的正式决议或协议是由对这些向题特别关切的国家委员会参加的技术委员会制定的，对所涉及的问题尽可能地代表了国际上的一致意见。3）这些决议或协议以标准、技术报告或导则的形式发布，以推荐的形式供国际上使用，并在此意义上，为各国家委员会认可。4）为了促进国际上的统一，各EC国家委员会有责任使其国家和地区标准尽可能采用EC标准。IEC标准与相应国家或地区标准之间的任何差异均应在国家或地区标准中指明。国际标准IEC444-5是由EC第49频率控制和选择用压电与介电器件技术委员会制定的。
本标准构成石英晶体元件参数的测量系列标准的第5部分。EC444一1构成第一部分：用元型网络零相位法测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻的基本方法（第二版，1986）。EC444=2构成第二部分：测量石英晶体元件动态电路的相位偏置法（第一版，1980)。IEC444-3构成第三部分：利用有并电容C补偿的元型网络相位法测量频率达200MHz的石英晶体元件两端网络参数的基本方法（第一版，1986)。IEC444-4构成第四部分：频率达30MHz石英晶体元件负载谐振频率fi，负载谐振电阻R，的测量方法和其他导出参数的计算EC444-6构成第六部分：激励电平相关性（DLD）的测量本标准文以下列文件为依据：
49(CO)248
表决报告
49（CO）268
表决批准本标准的详细资料可在上表列出的表决报告中查阅。附录A构成标准的组成部分。
附录B和附录C仅供参考。
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第5部分：采用自动网络分析技术和误差校正确定等效电参数的方法Measurementof quartz crystal unit parametersPart 5:Method for the determinationof equivalent electrical parametersusing automatic network analyzertechniquesanderrorcorrection1范围
SJ/T11211—1999
idtIEC444-5:1995
本标准规定了采用线性等效电路确定石英晶体谐振器的最佳表达方法。该表达方法以采用自动误差校正的量网络分析仪测量的电参数为基础。本标准确定等效电参数的方法以测量串联谐振附近的器件导抗为基础。本标准未直接涉及表征与一个串联的负载电容共同工作的器件参数这一进一步的问题，尽管我们承认某些应用要求这种参数。同样的测量仪器和基本相同的测量类型的为完整表征测试负载电容夹具以及负载电容夹具和晶体元件的串联组合的参数提供了手段。
2引言
2.1概述
2.1.1本标准规定了使用自动矢量网络分析仪器确定电压石英晶体元件电参数值的方法。S参数系统的推荐程序是使用屏蔽的开路、短路、电阻性端接和（传播法时）直接连接。为500系统设计的同轴开路短路和电阻性端接很容易得到，并且在很宽的频率范围内能够通过国家标准阻抗校准。现在适合校准测试架的直通连接必须由用户或供应商校准：然而校准技术是众所周知的。直接传输（元网络）法用的非同轴标准电阻器也已商品化，但它不容易追溯到国家标准。关于应用本标准的进一步的指南可参见IEC1080。2.1.2测量程序包括在规定的频率点用几种测量方法之一测量晶体谐振器的阻抗，判读数据分析和等效电路参数计算（图1)。中华人民共和国信息产业部1999-08－26发布19991201买施
SJ/T11211—1999
2.1.3本标准涉及的测量方法用于提供等效电路参数的基准值。制造厂和用户可以采用其他的测量方法，但由此获得的数值应与用标准方法测量获得的数值有对应关系。2.1.4本标准仅涉及石英晶体谐振器线性等效电路的表达，线性电路最多在谐振频率的百分之几这一很窄的频段内有效。2.1.5一般来说会出现一些非线性度，电路参数可能与激励电平有很大关系。若非线性效应非常大，则得到的电路表达式可能不通用。2.1.6通常等效电路用于表征一个独立的振动模式，但偶尔在紧靠主谐振处可能产生附加的振动模式：那么可以用更复杂的电路表达式，本标准未考虑这个问题，请参见参考文献[i]。
2.2导纳测量法
2.2.1描述图3和图4的等效电路元件时使用下列术语：Co为静电容（单端口模式)；
Co为电极与外壳间电容；
Co为静电容（简化的两端口模式)；Co为电极与外壳间电容；
Go为与Co有关的电导；
Go为与Co有关的电导；
Gm为与Co有关的电导；
Gm为与C有关的电导；
R,为动态电阻；
L,为动态电感；
C,为动态电容；
,=(LC)In为串联谐振额率 (rade/s)。图3和图4的等效电路用传输导纳函数Y12在整个导纳平面上描述出-→个圆轨迹，如图5a所示。导纳圆轨迹转换到阻抗（z=1/Y）平面也是一个测轨迹，如图5b所示。与上述电路有关的六个特征频率是：
f.为申联谐振频率；
为最大导纳（最小阻抗）颊率；f，为谐振颊率（零相位)；
f。为反谐振频率（零相位)；
f为并联谐振频率（无损耗）：
f.为最小导纳（最大阻抗）频率。这些额率中，只有串联谐振频率基本与静电容值无关，而且由于它受杂散电容的影响很小，因此它是制订技术规范时所选择的参数。f，与其他特征频率的关系可参见IEC302或EIA512(1985)。
，方括号中的数字参见附录C中参考文献号。—2
SI/T 11211 1999
2.2.2三种基本的测量方法（见图2a）是：a）单端口反射法；晶体谐振器用一个单端口器件表示，其中一个电极加电，其余电极和晶体元件外壳接地。
在反射法测量中导纳Y能够用测量的Su值计算出来。1-Sn
RoY=i+Sn
注：R。是系统校准中使用的标准端接电阻的值。(2.1)
b）两端口传输法；晶体谐振器看作一个两端口器件，其中两个电极加电，其他电极和晶体元件外壳接地。
在传输法中图4中两端口电路和传输导纳是Yi2 = -[Ge + joCm + R, + joLi + 1/jsC,通过导纳和分布参数之间的关系，我们可以按上述方法定量表示Y。RoY = Ro[ Gm + jioCm + Rt + jsLi + 1/juC2S12
[（1+Sn）（1+Sm）-S21S2
Y很容易由测量的S参数计算出来。(2.2)
... (2.3)
c）直接幅度/相位传输法；晶体谐振器看作一个图3的两端点器件，其中的传输夹具使用EC444-1*规定的电阻性元件。器件的阻抗由通过夹具的信号幅度和相位确定。使用标准公式，将该阻抗转换为导纳。Y = Go + joCo + R, + joL, +1/jCi.(2.4)
2.2.3由于校准时仅使用同轴可溯源标准阻抗，S参数反射测量可能是最准确的。S参数两端对测量提供了器件的大部分信息，而直接传输法确定器件的互阻抗。2.2.4等效电路有效性的约束条件上述等效电路中隐含下列近似条件：a）假设集总电路表达式有效；
b）假设器件非常近似于一个理想无损耗元件，因此所有有效谐振具有高Q品质因数。然而在窄的带宽内，在谐振频率的百分之几的频率范围上图6和图7的电路提供了多数情况下对谐振状态的很好的表征。2.2.5准确度和可追溯性
测量的准确度和可追溯性与校准元件有直接关系，并在很大程度上取决于实际应用的网络分析系统。然而系统应符合附录A中给出的理论模型，因此它应是一个具有高准确度（A/R等）比例模型的线性矢量检测系统：此外还要求频率源可溯源到国家频率标准。2.2.6设备
对于数据采集、误差校正、导纳计算和晶体元件参数的估算，使用计算机控制仪器是基本要求。误差校正是由于表征测量电路的需要。这是通过使用已知的阻抗标准校准实现的。对随后进行的导纳计算要求采集大量的测量点数据。2.2.7其他器件的应用
SJ/T11211—1999
本标准尤其适合单个谐摄器测量，但许多技术可直接应用于更复杂的器件，如双极点和单片滤波器；这些普追的应用在适用的地方指出。2.3导纳分析和等效电路参数的估算晶体元件等效电路的导纳分析有四种方法（见图2b）。若特测晶体元件用标准等效电路描述，且器件特性是线性的，则四种方法是等效的。a）一般最小二乘法
这是能在各种情况下应用的最通用的非线性技术。该方法能够测量复杂谐振，如非谐波。
b）线性最小二乘法
本方法是使导纳的测量值和理论值之间加权差的平方和最小，适用于单谐振模式。c）圆拟合法
本方法将晶体谐摄器导纳圆右侧上的奇数等间距点拟合成圆（±45°）。d）两点送代法
本方法可能是最快的方法并能用于生产。它包括获得位于谐振器导纳圆的±45°处的两个毅率。计算出的晶体元件参数用于再估计这两个频率的更好的值。连续选代直至估计达到规定的误差之内。
2.4引用标准
下列标准所包含的条文，通过在标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨、使用下列标准最新版本的可能性。EC和ISO成员国存有现行有效国际标准。IEC302：1969工作频率达30MHz的压电摄子的标准定义和测量方法EC1080：1991石英晶体元件等效电参数测量指南EIA512:19851kHz至1GHz石英晶体元件等效电参数的标准测量方法3测量程序
3.1概述
石英晶体元件等效电路参数的确定程序见图8。建议晶体元件外壳接地。若是玻壳，晶体元件应配有接地屏蔽累。
3.2环境控制
所有晶体器件至少都在一定程度上受温度、温度变化率和激励电平的影响。因此在测量期间必须使器件避免温度变化，且在测量时测出尽可能接近器件的实际温度，以便针对两次购量的温差链正测量值。也应注意确保测量时所加的激励电平是器件规定的激励电平。无其是当测量低颊高0值器件时，由于需要较长的等待时间，因此，另一个可能的误差源是测量过程中不可避免的小温度源移。记录第一个数据和最后一个数据期间内的这种小的环境条件源移将造成导纳轨迹的失真。采用一级近似，上述误差能够基本避免。般小二乘估算法能有效地使获得的平均数据达到上述要求，因此对温度漂移的影响可相当好地补偿。3.3校准
每种校准方法在第5章规定。
3.4激励电平
SJ/T11211-1999
对下一步的测量，必须按功率或电流规定该晶体元件在f处的激励电平。这要求设置信号发生器的输出电平。若已知晶体元件R，的合理估算值，则可用以计算激励电平。另一方面，从初始扫描到谐振，可以快速估算R的值。3.5Co测量
3.5.1对于低频单端口测量，C。的阻抗可能大于500。它导致低灵敏度，因此不能得到可用的静电容的估算值。可以在远离谐振并较高的频率点单独量C。以改善灵敏度。但有可能该频率点的有效静电容不同于谐振点的静电容。对于大多数带用型号的晶体元件，在约低于100MHz的频段内Co基本保持不变。在较高的题率点，建议在谐振频率的百分之几的赖率范翻内测量C。和其他动态参数。如果晶体元件影响宽带电路的特性，可能必须在宽频范围内确定动态参数。
3.5.2直接测量引线间的C。值可采用以下两种方法之=。a）对于达30MHz的晶体元件，在稍高于30MHz的五个频率点（如30.1，30.2，30.3，30.4，30.5MHz）测量，应采用五个值中最接近的三个值的平均数做为最佳估算值。b)对于30MHz以上晶体元件，建议采用三次配对测量，每对频率位于串联谱振赖率了的等距位置，如f（1±0.05），（f±0.06）和f（1+0.07)。对于每对频率，用较低率和较高频率计算得到Co的平均值，然后用其中最接近的两个数的平均值作为最佳估算值。在进行上述a）或b）的测量之前，应先证实测量率点晶体元件不存在寄生谐振。3.5.3当规范要求或传输夹具的模拟试验中测量两引线对外壳的电容值时（通带设计C12和C2）应使用一个有防护装暨的电容电桥做单独测量。3.6测量频率的选择
获得晶体元件谐振的导纳数据可以采用两种可供选择的方法。第一种方法是多频率法，采用7.1和7.2规定的最小二乘拟合7.3规定的导纳圆拟合均可。本标准建议总共采用九个频率点，选择在Y平面（见图5a）的顺时针半圆轨迹上确定的跨导点，也就是应位于串联谐振频率中心“Q带宽”内的几个频率。因此测量方案必须对串联谐振的频率进行预搜索，然后建立待测量频率阵列，它以操作者提供的Q值估算或由数据的估算为基础。为方便，测量频率点可以等间需，并且所有点应在f，的（土f,/2Q）范围内。此范围外增加的点也能使用，只是增加了晶体元件动态参数的一点信息。若希望检测微弱的无用模式，测量频率的较密间隔和较宽的颊率覆盖范围是很有用的。对子一般用途，9至15个数据点足够，且能迅速测量。但对于较高的准确度，采用20至30个数据，同时还要有稳定的环境条件。
第二种方法是7.4规定的两点选代法。3.6数据采集
建议使用C.W.测量模式（而不用扫描模式），并要求由Q估算值计算的足够的置位时问。这样做有两个原因。首先，对于大多数信号源，缓慢扫描将降低频率准确度，第二，高Q晶体器件在起振后需要一段时间才达到平衡条件。在这种步进频率模式中包括三种不同的延时：程序执行后频率源达到稳定的规定值的一段时间Tu，接收新的频率达到稳定的一段时间T。还有当前一个晶体元件的频率响应衰减而新的频率响应建立并达到平衡的一段延时间T,。高Q值晶体元件低频率点处，T，可能有几百毫秒，蒸至几秒。5
SJ/T11211—1999
安装在两端口传输夹具的晶体元件等效电路的分析表明，施加信号后约2.5（Q/f）的时间内新的响应将在初始值的0.1%以内建立，此处Q为晶体元件测试架的负载Q值。在同一时间内，相位瞬变将衰减至初始值的约0.1度以内。对于大多数用途，这一精密度足够；然而对于最高的精密度，建议这一时间间隔扩展到至少3.5（Q/f.），这样不会由于瞬变现象而造成数据的显著失真。因此该方法应把频率源置到规定的频率，再在测量系统响应前等待一段时间T。=T+T,。这段时间内应进行几次测量，并记录其平均值，以便由电噪声和数字转换器误差造成的随机偏差减到最小-待平均的实际读数可以作为响应幅度的函数，随信号的减小而相关的噪声电平增加。另外，反复测量每个额率直至相位响应达到稳定后确定频率的步进等级。而且建议用几个读数的平均值以使随机和量子化噪声的影响减至最小。3.8数据修正
在S参数法中，数据必须借助误差真值表的方法修正。方法在附录A中讨论。直接传输法不需要此程序。
3.9导纳计算
对于S参数法，此计算由标准S参数-Y参数转换公式给出。对于直接传输法，附录A中给出了计算程序要点。
3.10导纳分析和等效电路参数的计算各种计算方法参见第7章。
4导纳测量方法的选择
4.1概述
对于绝大多数谐振器，单端口或两端口特性是相当满意的。如果要给出更复杂的描述，应考虑两端口传输法作为首选参照标准。然而某些情况下，单端口技术可以提供更接近最终使用的近似使用条件。
4.2单端口S参数反射法的优缺点a）由于校准仅需要使用同轴基准阻抗，本方法可提供更好地准确度和可追溯性。b）对于低R，晶体元件，本方法较传输法灵敏度高，较两端口S参数传输测量的测量速度快，因为误差修正较简单且测量响应时间较短。c）对于R，很高的晶体元件，本方法不太令人满意，虽然达1kQ时的值也能接受。d）本方法将器件作为双端元件描述，在某些应用中可能不适当。e）对100kHz以下频率点准确度较差。4.3两端口S参数传输法的优缺点a）将晶体元件等效为一个三端器件，可以获得更多的信息。b）容易测量高R，的晶体元件。c）测量和校准较复杂，校准时可能存在某些附加的误差。d）对于低R，的晶体元件，本方法的灵敏度较差。e）若测量频率范围包括反谐振频率，则可以获得很准确的静电容值。f）频率低于100MHz时准确度较差。6
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