SJ Z 9154.1-1987 用π型网络零相位法测量石英晶体元件参数 第一部分：测量石英晶体元件谐振频率和谐振电阻的基本方法.pdf

1、中华人民共和国电子工业用型网络石英晶相位法一= 同主JG 分:用型网络相位法石英晶率和谐振电阻的方、Measurement of guartz crystal unit parameters by zero phase technigue in a n network part ,: Basic method for the measurement of resonance frequency and resonance resistance of quartz crystal units by zero phase techique in a-network SJjZ 9154.1 87 I

2、EC 444 1 (1 989) 本标准规定一个英晶体元件谐振电阻的简单方法，并介绍一种适宜的络。本测量方法和网络适用于1MHz-.200MHz的频率范围，性为10-e10-8，这依赖于被测晶体元件的类型。谐振电阻的土5%，它依赖于电压测量的准确度。度为10-6墨矶，准确度为土2%-. 但是，当频率在约100MHz以上时，因被测晶体元件并电容00的影响，本测用受到限制。为了能在这些条件下使用非测量方法，需要利用某种方法补偿000法的使因作为SJjZ9154.3 87 (IEC 444 3)标准，将给出一个补偿矶的方法。注:和网络已经改进，以保证达到本标准的要求。但是，按照本标准第一版生产的网络

3、并不这些网络仍可被接受作为测量谐振频率fr和谐振电阻阳的国际标准方法。如果将本标准所介绍的基准电阻略加修改，使官们能插入按IEC444标准第一就可解决获得令:入意的基准电阻的中华人民共和国电子工业部1988-01 1 SJjZ 9154.1 87 一一的定义z 正如附录A的Al.1条所定义的，晶体元件是具有复数传输导纳y1 2 = G 1 2 + jB 1 2的三网络。把晶体盒看作公共咽。对于玻璃外壳，第三端的定义见条款3。谐振频率是在规定条件下晶体元件本身的电纳B1I.等于零的一在这频率下，谐振电阻Rr=1/G12。中较低的一个。租基3 由于晶体元件的引线电感，必须规定一个测量基准面。除另有

4、规定外，这一平面位于晶体元件的插脚或引线引出点2mm处。玻壳晶体元件的第三端是一个金属屏蔽盒，其内部尺寸为高27mm，基面40mmx40mm (基面等于基准面)，而且顶部封闭。晶体元件位于屏蔽盒基面的中心。4 将晶体元件插入型网络见图1)，测量就简化为二端阻抗测息。晶体传输导纳的相位由跨接于型网络的相位计指示。测量相位读数为零的频率。零相位是通过在冗型网络中插入一个基准电阻器而较准的。由A道和B道的电压读数可以谐振电阻。5 电缆连接有关设备的型网络组成见图1)。电路基本上由用同、而以率计数80dB衰减虱信号发生50n 副m出Hfz醉东H翻白骨- -嘟回合锄部衰减.,. !on 刊唱，.，.网络

5、n /线平衡B 2 图1注:A道中的30dB衰减器可能是合乎特定相位t及电压表的要求。SJjZ 81 &4 .1 87 为了B道中(具有可改变长度的a线 .3. 电平是适宜的。备，构，型网络的结梅决定装置的准明血，分完善的测试装置。因此，也规定的话，可扩设备的基) 0 &.1 1.1.1 电气要求&.1.1.1 电路图见固2)0 也r-气问(a) (b) 也岛C1 B2 = B. = 1590(圆盘型B8 = Brs = U.2Q(圆盘型B. = B7 = 66.20( 士1%O,1=Ou=O.5.5pF ( 范围应为l-200MHzo2 R, C飞1马R, 5.1.1.2 &.1.1.8 串

6、型网络中插入和未插入短路片时B道电压之比的对数称为型。甲音衰减ao(以dB为单位表示为式中VBS是型网压。按图1的5.1.1.4按图1ao= 201og(V BS/V 80) 入短路片时电压，V BO是把短路片从型得的串音衰减应?-=60dB。用250实测的相位的偏在1，.200MHz之间的所有频率点上，用7大于土0.20(见6.1条。3 关的测试设见5.3络2 性2 装置的出后的B道电的相位相对于q1l +0.4 十0.2。-0.2 -0.4 甲0.6-0.8 - 1.0 一1.2- 1.4 -16 。SJjZ 8154.1 87 )! . , J主万/ / -+ 啕#斗斗一-一一一一15

7、50 75 围310MHz 50MHz, 100MHz和200MHz各频丰点基准电阻从010OQ时的相位对于25Q时相位的变化测量电路接圈1)h吨 10MHz 50MHz 100MHz 2MHZ 180 R (0) 在200MHz时，利用图1的测量电路，在15.2000的电胆范围内的相位相相位偏离不大于土0.50(见图3和6.1条。5.1.1.5 按图1的测量电路，在1-200MHz的频率范围内，250时在印W和0.5mW之间的所电平下测得的相位相对于0.5mW时的实测相位偏离不大于土0.505.1.1.6 在1.200MHz之间的所有频率点上，250基准电阻器的电阻值相对于按图1的电路的偏离

8、不大于2%。5.1.1.7 频率为200MHz时，在-55. +105C的温度范围内，用5.2.2条规定尺寸的短路片实的反射系数应小于5%。5.1.1.8在型网络中用5.2.2条规寇的金属短路片，在规定的频率范围内实测的插入损艳应为29.6土0.3dB。5.1.1.9 接触片之间的杂散电容应小于0.05pF。5.1.1.10在频率20OMHz时，在图1的型网络装置中接入5.2.1条规定的250基准电阻器，在4 短路片是尺寸为12mmx10mmx 5.3 有关测试设备5.3.1 信号发生器板见图4)。5.3.1.1 在信号发生器所调频率两侧土10%的范围内，比主输出功率低60dB。是土1%。以外

9、的出功率至少应为了不影响相位计的准确度，信号，发生器的-40d助。信号发生器的频率分辨率和稳定度应能波电平应该足够低典型值为的晶体典型值优于lx10-7)。5.3.1.2相位噪声是在型网络中用高Q晶体(Q5000)在谐振频率下用图1所前的装置的。所指示的相位抖动应该小于0.2。5.3.1.3 最大可获得输出功率电平至少应该是标称晶体激励电平+24dBo 5.3.1.4 信号源的阻抗是500。5.3.2 可变衰减器(500)可变衰减器能够并入信号发生器。它仅是为了调节激励电平才需要的.5.3.3 功率分配器J)J率分配器可并入型网络中。型网络中吁用两种类型的功率分配器(见图5a和图5的.用图阳的

10、功率分配器测量入射波，用图的的功率分配器测量入射波和反射波两者.实际上，图加和图5b给出了入射波以及反射波的组合，这对型网络的测量结果儿乎没有影响.5 SJjZ 9154.1 87 电阳性通赂的保护涂。户夹绝缘材料毛F 中心销10 13 12 。.,. M e、也一.触基准平面平面F.O刊气。村F 2 1.5 表面运1.5基片电阻性liil路0625 注:所有的尺寸都以皿m为单位，对于关键尺寸并给出了允许偏差。短路片和基准电阻嚣的尺寸及它们相对于基准面和接触商的位置是相同的。图4基准电阻器和短路片50! 50n 图5a6 SljZ 8154.1 87 16.670 5.8.相位计和电压表a国，

11、二，F 图5b。18.810 16e 67Q 相位计作为相位的指示器。由电压表的读数可以得出谐振电阻。5.3.4.1到5.3.4.4条中叙述.1.8.4.1 在B道，零读数时的相位误差一一它既是时间的函数又是5倍实测电压变化的函数一一应该小于0.20注:应注意谙波不影响相位读数的准确度。5.8.4.2 B道的灵敏度至少比是晶体激励电平减少25dB.1.8.4.3 A道和B道终端处的反射系数应该小于2%.阻抗为50Qo5.8.4.4 A道和B道电压比的测量精密度应有2%。5.3.1 、5.8.5.1 应该采用能经受-55C到+1050温度范缆(500)0 电缆，最好是用全金属同轴电5.3.5.2

12、 电缆终端的反射系数应小于5%。5.3.5.3 最好但不是必须这样选择连接功率分配器的输出端到型网络输入端的电长度，以使250的基准电阻器插入型网络时，在1200MHz范围内的所有频率点上，A道和B道之间的相移不大于土0.500为了易于调整，可用阻抗恒定、长度可变的线延长器。5.3.8 频率计e 8.1型8.1.1 8.1.2 100mVo 7 计的准确度和稳定度应该优于1x 10吨。络的初始校准片插入型网络.发100MHz，再其输出电平，使B道的电压BS为Sl/Z 54.1 87 6.1.8 移去短路片.8.1.4 记下B道的电压读数Vo6.1.5 Gc. 201ol, 图A2Y11=Y1+

13、Y3 YZZ=YZ+Y3 Y12=YZ1= -Y3是传输导纳将其用于晶体元件，其网络为Y Z r-一一-一I 2c 图A3一卜CJ 1;z v a 10 SIjZ 9154.1 87 y 1 = jmO A 弘!.t若OAH=OBH= 0, A1.2 Y 1= j (JJOBH Ys=ljZc 于晶体阻扰.川队二ilt比R7 V1 R Z 气2 4 R V2 一一回A4电压传咽起Sv. R. 7?=瓦言R;-7- 1 瓦2A4 ZC+ 1 1 1 石+瓦 式中Aa=牛+去+jOA日，A4 =去+瓦击7+jdBH阻抗。1 1 _7 互ZTZ7-hE对于本标准来说，所有杂散电抗均已集总到阻抗Zs和

14、Ze中。AZ 虽然本装置的设计使之具有优良的准确度，但是仍有三个次要AZ.1 激励电平变化一般说来，晶体元件的谐振频率和谐振电阻与激励电平有关。晶体元件。但是，型网络的设计使得谐振电阻的变化不严重影响激励电平z 的大小决定圈AS)11 sJjZ 9154.1 87 P 100 Z飞;nax袖-、再也喝、何-，0.8 0.6 P Rl 一.-一31 5 0一一(25+R1) 0.4 Pm阻0.2 。?h叫阳一白白，审由由中飞一叫一-甲咛#晴甲-f . 监明胁中1，叫帽F10 20 3 1 40 50 60 70 80 90 100 谐振电阻注=图中R1应为RrA5 例如，谐许的。电阻从9.5&1

15、变化到65.脯，引起功率电平变化20%。在大多数情况，这是允对于谐电阻很小的晶体，如有必要F可按照图10调节激励电平.A2.2相在谐振, Zc +Zs的相位是=2坐.的f 为弧度-.f = f - f. Q.rr = _a an J R J .f _ f 2Q.u 如，对于一个频常为60MHz，Q. I f = 40000的晶体来说，残余相位误差为0.45。时产生的相对频率误差为1XI0-17oA2.2.1 Rr变化引起的相就所有的实用目的来说，Rr变化所引起的相位误差可以通过用一个电阻值近似等于氏的接近理想的基准电阻器代替晶体元件来消除。A2.2.2 晶体盒尺寸引起的型网络的接触片能插各种类

16、型的晶体盒.从晶体元件插脚或引线之间的距离可以从2.4mm到接近40mmo一个很小的晶体元件和一个基准电阻器之间的相位误差可认为是零。通常较大的晶体元件尺寸所引起的相位误差与晶体元件引线之间的距离，以及棒和型网络圆板中心之间的距离有关见图A的。在现在12 SJjZ9154.187 所讨论的网络中，这些误差几乎是可以忽略的。例如，对于一个具有500谐振电阻，10.0mm 引线距离的100MHz晶体元件，相位误差似乎接近1.20，而对于具有1000谐振电阻，6mm 引线距离的200MHz晶体元件，相位误差似乎接近1.300hM wm M一的4 4 个+ 4 斗? 4 .J. i 200MHZ 8

17、2 1 l00MHz 。悔悔b吨umMM MW组75 10 Q R (0) 。25 50 国A6A2.3 夹具的杂散电容夹具的杂散电容OAH和OBH对谐振频率测量的影响是z夹具电容与Z8和Zrs并联见图A4,) 0 Zs和OAH组合的阻抗是ZJ= H A LJ川Z + 唱A同样ZF-ZE 5 -l+ZsjCBH 例如，假定fr=100MHz，OAH=OBH=2pF , Ol=O.7pF，而且Z3=Z5=12.5Q，则Z a =Zs =12.5-0.19j 略夹具电容后，所产生的系统频率误差为(Q. = 20000) 因此，该误差对所有型网络都将相同。A3 R3和R5的电攘的种，在高频时，电阻如

18、图A4的Z和Z5)的等效电路如图A7所示。13 SJjZ 9154.1一的C -0 R 一仨J 图A7其导纳是 =j0+ 1-Rj0+1-2LO R + jL- R + jL R20=(1-LO)L，则A是电阻性时.如果(Q2LO1，则R2=LjO。于是2LO1这个条件可写为LR。这一关系是否成立将在第二个频率时校核。在目前的技术情况下，排偿网络C约为10pF，L4R.如果R=l川，0 = 10pF , R2 =乡，L = 1.5 x 10-9H 由fe=-i-22，得到ZvLO 所以直到250MHz，相位的线性度将优于土0.25。因而在偿到土0.25。以内是可能的见图A的。QMHz的范围内，

19、将相位补,tJ +.1 。-0.1 。50 100 160 图A8采用250基准电阻器时，已校准的型网络的典型的相位-频率变化关革200 f MH7.) 14 A4 诺摄电阻的谐振电阻的叫且氏在起EC:V LV AO LBr = I瓦卜+vfSJjZ 9154.1 87 LV BO 1 V AO - V BO ,. V AS VBS VBO x25 这里的LVA口，LVAs, LVBo和AVBS分别是VAO，vAS, VB口和lVB8 500闰轴连接不接触片绝缘校15 确定准/ 位置的绝缘一图A9典型的型网络片 -弹簧支承料块第三象限角A 电容代号为01和0，t. 泣，树绝1 2立0，, 微调

20、电容Cl和GE的调整孔一-_._.:;不锈钢。Lltvl卢 261忡-fa气。钊h.-守() 一1.0士0.1三象限角A 0.7去。1j TZLYSi A A !1调电绝缘板后的网络圈AI0f- 0) SJjZ 9154.1 87 一2.4立0.11.2土0.1二。利hh.。co 1.0:!: 0.1 :i; 0.1 0.7土0.1图All接触片和接地屏蔽的尺寸:X表示型网络棒和圆盘电阻嚣的中心位置单位:mm) c) c、4接触平F 区。 和圆盘形电阻的中心基准电阻接触片三象限角国A12基准电阻相对于网络接触片的位置(单位:mm) 17 SJ/Z 9154.1 87 一m na帽图卡辐. a F . 峨摩眼窑 。hnuahT圈气- -.-电3，同、 飞可 、.罩 :叫、将、圈，11 / 事zz 1I1t./ : d 飞.，飞飞队飞、，、11 主E雪是2 制民的间，固 、咱.D -u -a L一u 国.18