SJ Z 9154.3-1987 利用并联电容CO补偿的π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.pdf

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1、中华人民共和子工荐性部标准石英晶体元件参数三部分利用并电容Co补偿的型网络相位法频率达200MHz的石英晶两端网络参数的基本方tMeasurement of quartz crysta1 unit parameters by zero phase techniquein a-network SJjZ 9154.3 87 IEC 444 3 (1986) Part 3 I Basic method for the measurement of two.;,.termina1 parameters of quartz crysta1 units up to 200 MHz by phase tec

2、hnique in a-network with compen.sation of th paral1e1 oapacitance Co 1 范围本标准规定了石英晶体元件率的影响。根据晶体的型号，测的测量方法，该方法用一个血确度可达到2a)频率的相对准确度范围是10-6010-勺的电阻的相对准确度范围是2%05%;的动态电容和动态电感的相对准确度范围是3%.-.7%。来补偿C。对晶体元件本标准是以SJjZ9154.1 (IEC 444-1)标准第一部分用型网络零相位法测量石英晶体元件的谐振频率和谐振电阻的基本方法中规定的型网络为基础。中华人民共和国电子工1988-01 1 SljZ 9154.

3、3 87 l啕所不同的是在晶体元件频率用电感补偿晶体元件的并电容00.在本标准中，详细讨论了两种对矶的补偿电路。也可以用不同方法补偿。例如，用分立和电容，或带有移动短路环附谐振线。对补偿电路和测量方法的要求是一样的.2 00的2.1 电气要求晶体元件在其谐振的影响。该电感由一个可附近可等效为图1所示的电路。这时，用一个可变电感Lp消的并联谐振电路实现。11 CI Co 飞) , R串串户叫唰-.一L.J L 1.1 围1有0。补偿的晶体元件的等效电珞(Lp的损耗用Rpo_示。未补偿的晶体元件的复数阻抗Z=R+jX在图2中给自.图2a示出了晶体元件本身的阻扰，图2b示出了接入型网播中的晶体元件的

4、阻抗。图3示出同样条件下有补偿的晶体元件的阻扰。2 SJjZ 9154.3 87 且X .-明-白白-,-,. .-L- - - -h , 唱 Co . Z F d J于R 一一一一一一OH 肉，比图2a)单独的晶体J毛件图2b)接入型网络中的晶体元仲图2并电容。未补偿的晶体元件阻抗图-凡(空工!14Z ;_ . ._-一中一一一-一-啤盼.Z Z. -国-町，但叫Ro |iii -i|: ._ .-图3a)有00补偿的单独的晶体元件图3b)接入型网络中的有00补偿的晶体元件国3按圈1用适当调谐补偿网络补偿00的晶体元件的阻抗图3 SJ/Z 9154.3 87 以具有2RT= 25 Q电阻的晶

5、体元件作为终端时的型网络，其输入、输出端之间的相位角=斩。x x tan!P T =瓦=写工2RT(1) 当T值很小时，作为一级近似上式可以表示为z 2川瓦If tan!PT =瓦亘古=丁x2Q. f f (2) 其中Qeff=t主F正如图2和图3中所看到的，两种情况下，都存在着一个最大和一个最小相位角。仅对于已补偿并电容叭的情况这两者是相等的。而且，这时阻抗对于串联谐振频率fs是对称的.2.2 求足2.1条要求的两种改进过的型网络在图4a和图。中给出.60mm 2mm 型网络O2 。10, 1kn 15mm 1I电*辛4.1 型网络可使用SJjZ9154.1 (IEC 444 1)标4.2

6、型网络的附件5.1条中i布型网络。4.2.1 基准电阻所、使用功一套基准电阻及其特性在SJjZ9154.1 (IEC 444 1) 5.2.1条中给出.4.2.2 短路片短路片是与4.2.1条规寇的基准电阻同样大小的金属片。4.3 有夫的测试设备SJjZ9154.1 87 (IEC 444 1) 5.3条中指出了有关的测试设备。4.4 补偿电路4.4.1 概述一个电感器或者一个在晶体报卒具有合成电感Lp和以Rpo表示的损耗的并联谐振电路是与晶体元件和型网络接触片并联的。补偿是计对晶体元件的并电窑C。和型阿塔接触片之间的附如电容。4.4.2 宽带补偿电路在一宽广的频卒植面，最好在80MHz以上应

7、用补偿。因此用一个电压接和型网络的接触片相连接，是一个方便的辉决办法。的电感直电路基在上由个平行线电感(parallel-line inductance)和同步调谐的并联电容变容二极牙)组成。对型网络与补偿电路的连接点W要求并不严格。4.4.8 对并电容00的补偿电路的6 SJjZ 9154.3 87 gp.=(kpFif-川T注:相位读数等子带有短路片的相位，但由于Rpo值较高，它不稳定。5.2.7 为了给出5.3.J条规定的零相位读数，将信号发生器的频率调整到晶体频率。5.2.8 为了给出对称相位偏置处(如土200)相等的电压读数，校正补偿电感。5.2.9 对于每一个有不同的并电容和/或标

8、称频率的晶体元件，应重复调谐补偿电路。5.3 频率和电阻测量5.3.1 初始校准。5.3.1.1 将短路片插入有补偿电感的型网络。5.3.1. 2 将信号发生器的频率调整到晶体标称频率处。为了给出要求的晶体元件的激励电平，调整电源输出。5.3.1.3 记下A道的读数VA.和VB.，并计算几-h5.3.1. 4 将相位计置于0位置。5.3.1.5 插入25n电阻。也5.3.1.6 通过改变补偿电感和/或相位计的零点使相位计读数校准到零。5.3.1.7 插入75n电阻w5.3.1.8 按5.3.1.6条的方法，将相位计读数校准到零。5.3.1.9 插入25n电阻时相位计的读数与插入750电阻时的读

9、应重复5.3.1.5J5.3.1.8的步骤。5.3.2 补偿电路的校准对晶体元件的补偿电路的5.3.3 串联谐振频率f.的按照5.3.2条的规定进行补偿后，零相位点的频率的偏差不应大于0.20。杏按5.2.2.5.2.9的步。就是f.o5.3.4 动态电阻矶的计算5.3.4.1 在串联谐振频率点，零相位电阻R。可由电压读数VAo和VBO计算。Ro = (k乒-川RTBO 5.3.4.2 动态电阻R1可由Ro和Rpo按3.2条算出111 R1R-;-Rpo 5.4 动态电容01和动态电感L1的5.4.1 带有00补偿的晶体元件的相位角。根据第2条，型网络中晶体元件的相位角由下式给出。x tan=

10、 R1王2RT式中RT是型网络的端电阻。(4) 8 SljZ 9154.3 87 5.4.2 最太相角根据图3，带有00补偿的晶体元件的最大相角由下式给出sRp飞Pmax=sln1Rpo 2 + 2Rpo (R1 + 2RT) + 4R1RT 倒:RpO = 1000 0, R1=1000, 2RT=250. CPmax =土52.8。5.4.3 动态电感L1的计算在数值相同、正负两个相位偏置+和-处，测量f+伊和f_rp两的伊max，最好是以0.5rpmax或=20。作为标准值。然后计算L.L1二RI2(Ro +2RT .a . tanCPT 2R02f+-f_也式中R RpoR I o=再

11、0+R1 J 5.4.4 动态电容01的根据3.1条式(3), 5.4.5 品质因数Q的计算Q由下式给出1 01= Q= a二1+R(Rn +2RT)z。RiRL+RItar川T1 4偌2f.2Ll2nf.L 1 R1 (5) 。应小于式(5)(6) (7) (8) 9 SljZ 9154.8 87 A 和不排键的E , R, 01 1 的分析A1 频率和电A1.1 根据3.1条，fr和f.相的一级近似为主-1._互Lf. -201Q2-2QI2 式中Al.2 Rr和R.相对差异的理论值近似为Rr-R子oA2 37Lm07苟言部Q)1 A1.8 对于典型的振荡晶体，f r租f.以及R.和风相对

12、差异的A1.4 对于泛音晶体，采积(QXf)在理论上近分之几的电阻差正比于掘.率的平方。此外，0。和01之比更大。表A1中给出。因此，10-s量级的频率和百加而增大。因此，差异就A2 。的中01和L1的从没有0。补偿的测量中由下动态电13和动态电的s-T LU A一+2-z 一R= n aH cp=土450式有两个简化$0让Br等于R1，误差已在Al.2中给出。2)未考虑。捕影响，它既未给出号相反的相移所对应附对称的频率偏移。对于高到的。也未给出数值相等符常是不可能达电压的体，大于土45。f且终晶体元件的明公式表示。已经用出中给出。10 Al 体元f 。1RI (MHz) (fF) (0) 1

13、5 30 7 45 2.3 14 75 0.76 30 105 0.36 55 A3 补偿频率站围的晶体元件，论上小于1X10-0，Rr和R1之的误差在理论上小于5%。以土的晶体元件，SJjZ 9154.8 87 型值和不论计算的fr- fl J Rr-R1 AO(%) Q(103) f. R (1X10-) (%) 45。相位50 +0.04 +0.02 +0.002 111 +0.11 +0.06 +0.29 93 +0.49 +0.9 +2.7 76 + 1.56 +6.0 见注45。的相位偏置来测量，因为没有补偿的最大相角约360。时可以在无0。补偿条件下进行论上小于2%，动态电容、动

14、态时应对并，进行补，扁。-和f.之品质因11 SJjZ 9154.3 87 附量B关于准确度的褂SJjZ 9154.1 87 (IEC 444 1)的附录A中已给出准并电容。的补偿对f田和R1测量准确度的w响。度的补充说明。本附录提供了Bl 有0。补偿时，f.的测量准确度Bl.l 在由5.3条中25Q和750基准电阻确定的零相位点件的电阻的差异引起的相位偏差低于0.50(见SJjZ9154.1 0.2。的相位计所得的最终频率误差由下式给出E串联谐振频率f.。由于晶体元IEC 444 1)。用分辨率为Af. _ tanO.7。7一一一五百一当使用。补偿、品质因数在10000以上时，串优于0.6X

15、10-6。的准确度在理论上可达B2 。时，矶的B2.1 串联谐振电阻R1Rpo而得出E可通过在零相位点与基准电阻相比较并考虑补偿电路电阻111 R1 = Ro - Rpo (4) B2.2 根据B.1条当霉相位有0.7。误差引起矶的误差为0.007%，因此可忽略不计。B2.3 A道和B道电压表读数的总误差是2%。由于基准电阻的阻值误差见SJjZ9154.1 87 (IEC444 1)引起的误差是2%，在测量矶时的最大误差是4%。B2.4 由于Rpo的值相当高，因此它的测量准确度只有10%左右。一般说来，Rpo的阻值约10000)比R1至少高10倍，它给矶的附加误差小于1%。B2.5 使用00补

16、偿时，串联谐振电阻矶的总精度可达到2%到5%。B3 使用00排健时，动态电在，动态电感和晶眉目B3.1 可以用在相位偏置处串联谐振电阻和B3.2 B2条给出R预期的情况。计算矶，L 1和Q。B3.3 根据5.4.3条式(6)应个有0.20允许误差的相位偏正负相位偏置最好是土200)之间的数，频率误差是zAf+-f_Jqtan20.20-tan2。白OLf+-f_cp飞Qtan20。aro。对于每B3.4在使用叭的补偿时，动态电容。1、动态电感L1和品质因数Q的总误差可达到3%到7%。12 SJjZ 9154.8 87 C 关于固制和4b中件的补充说明图4a:Du 2个平面型变容二极管k=94.5 n= 0.90 D 2:超突变结变容二极管k= 920 饵=1.69 图4b:Op:微词电电容值为2到45PF。LPl射频空心线圈电感量80nH土15%线圈尺寸x1: - 4 x 4mm : 4专铜线z=0.35mm s不作统一规定品质因数E见下表MHz 75 Qp 130 Rp。5kO Qp和Rpo100 150 140 185 7kn 14kn 200 150 15kn 1;)