GB∕T 22319.9-2018
基本信息
标准号:
GB∕T 22319.9-2018
中文名称:石英晶体元件参数的测量 第9部分:石英晶体元件寄生谐振的测量
标准类别:国家标准(GB)
标准状态:现行
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石英
晶体
元件
参数
测量
谐振
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标准简介
GB∕T 22319.9-2018 石英晶体元件参数的测量 第9部分:石英晶体元件寄生谐振的测量
GB∕T22319.9-2018
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标准内容
ICS31.140
中华人民共和国国家标准
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007石英晶体元件参数的测量
第9部分:石英晶体元件
寄生谐振的测量
Measurement of quartz crystal unitparameters-Part 9: Measurement of spurious resonances of piezoelectric crystal units(IEC60444-9:2007.IDT))
2018-03-15发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2018-10-01实施
GB/T22319《石英晶体元件参数的测量》分为以下部分:GB/T22319.9—2018/1EC60444-9:2007一第1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;一第2部分:测量石英晶体元件动态电容的相位偏置法;一第4部分:频率达30MHz石英晶体元件负载谐振频率和负载谐振电阻R,的测量方法及其他导出参数的计算:
一第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;一第6部分:激励电平相关性(DLD)的测量;一第7部分:石英晶体元件活性跳变的测量;第8部分:表面贴装石英晶体元件用测量夹具:第9部分:石英晶体元件寄生谐振的测量;第11部分:采用自动网络分析技术和误差校正确定负载谐振频率和等效负载电容的标准方法。
本部分为GB/T22319的第9部分
本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。本部分使用翻译法等同采用IEC60444-9:2007《石英晶体元件参数的测量第9部分:石英晶体元件寄生谐振的测量》。
本部分作了下列编辑性修改:
第1章第1段将“与早期的方法相比,本部分改进并提高了测量的重现性和准确度。”及以下的“早期“石英谐振器寄生响应测量方法”规定的电桥测量方法中,使用了无法满足重现性要求的元件,如可变电阻器和混合变压器。”改为用注的形式给出,并删除了随后的“上述元件在市场上已不再销售”,
一一第1章方法B的最后“本方法是对早期标准中“基准测量法”的改进。”改为用注的形式给出;3.1.1c)中式(14)下面“若这二个数据点的幅值均大于Qm\改为“若这二个数据点的幅值均大于Qmain”。wwW.bzxz.Net
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本部分由中华人民共和国工业和信息化部提出。本部分由全国频率控制和选择用压电器件标准化技术委员会(SAC/TC182)归口。本部分起草单位:中国电子元件行业协会压电晶体分会、成都天奥电子股份有限公司、武汉海创电子股份有限公司。
本部分主要起草人:章怡、黄浩、毛晶。1
iiKANiKAca
1范围
GB/T22319.9—2018/1EC60444-9:2007石英晶体元件参数的测量
第9部分:石英晶体元件
寄生谐振的测量
GB/T22319的本部分规定了石英晶体元件寄生(无用)谐振的二种测量方法注:与早期的方法相比,本部分改进并提高了测量的重现性和准确度。早期规定的电桥测量方法中,使用了无法满足重现性要求的元件,如可变电阻器和混合变压器方法A(全参数测量法)
全参数测量法可以确定寄生谐振的等效电参数,本方法使用与IEC60444-5同样原理的测量设备本方法为优先测量方法,可用于测量达几千欧的中低阻抗寄生谐振。方法B(电阻测量法)
电阻测量法应当在有规定时用于测量高阻抗寄生谐振,如某些滤波晶体。本方法使用与方法A相同的测量设备并与规定的测试夹具连接,该夹具由市场上可获得的微波元件组成,如具有准确的50系统阻抗的180°混合耦合器和10dB衰减器。注:本方法是对早期标准中“基准测量法\的改进。2概述
石英晶体元件可呈现多个谐振,这可以用多个串联谐振电路并联表示。完整的石英晶体元件单端等效电路见图1(源自IEC60444-5)。o
图1多谐振单端等效电路
因此n个谐振的等效电路的总导纳Yta.用式(1)表示为:Yrot =G+ jaC+ZY,
式中:
等效电路的总导纳,单位为西门子(S);(1)
iiiKAoNiKAca
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007G.
等效电路的并联电导,单位为西门子(S);角频率,单位为弧度每秒(rad/s);等效电路的并电容,单位为法拉(F)。其中(见式2):
Y,=G,+iB,=R,+joL,+
式中:
第;个寄生模的等效导纳,单位为西门子(S):第i个寄生模的等效并联电纳,单位为西门子(S);第,个寄生模的动态电阻,单位为欧姆(2);第i个寄生模的动态电感,单位为亨(H);第;个寄生模的动态电容,单位为法拉(F)。(i=1,2,...n)
当i=1时是主振模式,而当=2,…,n时是寄生谐振模式。+
#o###o(2)
寄生模式被认为是非耦合模式。用本部分的测量方法也可以找到耦合模式,然而其振幅强度无法精密确定电路参数
寄生模i的衰减α被定义为该模式的电阻R,与主振模式电阻R,的比值的对数「单位为分贝(dB)见式(3):
aspur=20log1o
式中:
a spur
寄生模i的衰减,单位为分贝(dB);寄生模,的等效电阻,单位为欧姆(2);主振模的等效电阻,单位为欧姆(2)。(3)
图2给出了AT切石英晶体元件寄生谐振的典型频谱,是使用IEC60444-1中规定的元型网络的频谱分析仪显示的频谱。
也可参见3.2.1.2。
—20-
—70-
20900000
21000000
频率/Hz
21100.000
寄生响应频谱示例
21200000
iiiKANiKAca
GB/T22319.9—2018/1EC60444-9:2007注1:网络分析仪测量的衰减值与所用测试夹具的端接电阻有关(例如:IEC60444-1中规定的元型网络是252),与用式(3)计算的寄生衰减不同注2:如果晶体元件连接不同的负载电容,则用网络分析仪测量的频率和衰减值也不同。3测量方法
下列测量参数是需要设定的,并应在详细规范中规定:a)需评估的寄生谐振频率范围FRspur;b)激励电平。
定要注意选择适当的测量(扫描)时间。3.1方法A(全参数测量)
测量系统由IEC60444-1和IEC60444-5规定的元网络或S参数测试夹具及网络分析仪构成,或是等效装置。
在规定的频率范围FRpur内测量晶体的导纳。用连续移除谐振的方法分离各个寄生谐振。由导纳数据.用IEC60444-5规定的评估程序中的一种计算各个谐振模式的等效电路参数。3.1.1测量程序
更详细技术要求的描述可参见参考文献[1]。测量步骤如下(见图3):按照IEC60444-5测量静电容C。。a
b)按照IEC60444-5测量主振模式(i=1)的电参数,通过式(4)得到:0
串联谐振频率f=f1
2元起
等效电参数R,,Ci和L1.以及品质因数Q=Q:
式中:
品质因数;
主振模的品质因数;
主振模的动态电感,单位为亨(H);主振模的动态电阻,单位为欧姆(2):主振模的动态电容,单位为法拉(F)。iLi
在规定的频率范围FRepur测量晶体的复导纳Yre(f)。测量参数:
Q2,Q3.,Q.~Q
每个频率的最小建立时间tset为:t set
谐振带宽内至少有二个数据点,数据点的最小数量N为FRapur
则最小扫描时间t为
t swp = set ·N
.(6)
(7)
.(8)
iiKANiKAca
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007注:若有必要,频率扫描范围FR要分成几段得到复导纳Yre(f)的数组表达,如幅值数组|Yre(j)丨,相位数组ΦresG)和频率数组fj)i=1,2,,N,并且f(1)f即主振模式的频率。搜寻寄生谐振峰
为将寄生谐振峰与噪声峰和宽带响应区分开,搜寻寄生谐振要求有以下步骤(参见图3的流程图):对相邻的数据点(j一1,j.i+1)确定本点Re(YresG))的最大值,分析使用导纳的实部[见式9)]:Re(Yres (j)) = [Yres (G) [- cos(Pres G))式中:
j=2,.,N-1
对导纳值的分析如下:
若Re(Yru))>Re(YrG-1)且Re(YrG))>Re(Yre(+1))则fpealk=f(j)为寄生谐振峰的备选值区分真实谐振峰值和伪谐振峰值;由噪声等引起的伪谐振峰能够由假定寄生谐振的实际Q值与步骤b)确定的Q1确认。上限Qmx:
Qmax =k max ·Q
式中:
品质因数最大值;
kmax=2..**,10(建议:kmax=5)。则寄生谐振峰的最小3dB半带宽BWin为:BWmin
式中:
最小3dB半带宽,单位为兆赫兹(MHz);串联谐振频率,单位为兆赫兹(MHz)。.(9
·(10)
(11)
对于每个备选寄生谐振峰,检查紧邻丨Yres(fpeak)「的两侧的数据点。若这二个数据点的幅值均小于Qmx所对应的幅值:
Yres(f peak)
YfakBw)
则该峰值仍可做为备选寄生峰值,否则即可认为是伪谐振峰值。下限Qmin:
Qmin=kmin·Q
式中:
Qmin品质因数最小值;
kmm=0.1,***,0.5(建议:kmin=0.2)。则寄生谐振峰的最大3dB半带宽BWmax为:BWmax
式中:
最大3dB半带宽,单位为兆赫兹(MHz)。·(12)
.(13)
(14)
对于每个备选寄生谐振峰,检查紧邻|Yres(fpeak)「的两侧的数据点。若这二个数据点的幅值均大于Qmm所对应的幅值:
Yres(fpeak)
/Yres(f penk士BWmax)
·(15)
-iiKAoNiKAca
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007则该峰值仍可作为备选寄生峰值,否则即可认为是伪谐振峰值。得到的参数是n一1个寄生谐振频率f(i=2,…,n)。注:若寄生谐振非常接近于强谐振模,建议使用1dB带宽代替3dB带宽,并且要用系数1.122代替/2,BWma和BWmin也要相应改变。
初始值
缩小确认寄生谐振的范围。
Re(YG)>Re(Y(j-D)
Re(YD)>Re(Y(U+))
2XQmax
Y(pa+BWmn
[YUea)
YUfreakBWamas
此峰值为谐振峰
图3寄生谐振搜寻流程图
对步骤c)中确认的每个真实寄生谐振峰,pur(z),采用每次扫描间隔的至少N,=11个数据点和最小扫描时间tsw[见式(16)的方法,缩小频率间隔fspur(i)士BWmax,取得新的导纳数据。10·Qmin·Qmax
kmin·wi
·(16)
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007式中:
扫描时间,单位为毫秒(ms)。得到每个寄生谐振的导纳Yie(f)的数组表达,如幅值数组Yie(i)」,相位数组ieG)和频率数组f)i-2.,nj-l,..ll。
移除主振(i=1)和C。的导纳。
从每个原始导纳数组Yi(f)中消除主振模式和静电容C。的影响见式(17)。Y(f)-Yrw(f)-YI(f)-Y(f)
(=2.3,....n)
式中:
Yres(f)
寄生模;的导纳数组;
Yiaw(f)
寄生模;的原始导纳数组。
Yi(f):
(R)+jaL)
Y。(f)=jwC。
0=2元f
·(17)
.(18)
(19)
·(20)
得到每个寄生谐振的导纳Yi(f))的数组表达,即幅值数组|Yi(i)「,相位数组Φ(j)和频率数组f),i-2,.n.j=1,...,11。
计算剩余最强模式的串联谐振频率和等效参数。f
选择剩余最强谐振模式,即第k次模式是最大的,其实部最大值由max(Re(Yies(f)))确定。按照IEC60444-5的规定,由Ye(f)计算串联谐振频率f,动态参数R、C和L,以及品质因数Q。
得到剩余最强谐振模式的串联谐振频率、动态参数R、C.和LQ。注:若由式(21)计算的建立时间大于测量。
移除已评估的寄生谐振,
「见式(16)丁,则有必要根据该寄生模式对应的修正扫描时间再次N
t'set
2元起
从所有剩余导纳数组Y()中去除f)中对应的第次寄生谐振模式的贡献。Yre(f) :=Yre(f)-
Y(f)(i=23,\n,i≠k)
式中:
(R+jL+
Yi(f)用下一个选代结果代替
h)对所有剩余寄生谐振重复步骤g)。分析结果有效性的评估(可选)。juCk
由所有已确定的寄生谐振模式和主振模式的参数可计算出总导纳Ytot为Ytat(f)=
(R,+j2元fL+
并与步骤c)测量的导纳Yres(f)比较。j2元fc,
由归一化的误差平方和能够得到数据拟合质量的量度。6
+52元fC起
(21)
(22)
·(23)
·(24)
GB/T22319.9—2018/1EC60444-9:2007注:由于所有谐振是互相影响的,因此使用误差的平方和可以进一步减少参数C。,f(i)R、C和L(i1,,n)的变化的影响。
3.2方法B(电阻法)
测量系统由与IEC60444-5同样的设备组成,但使用不同的测试夹具。该测试夹具由输人阻抗为50Q的180°混合耦合器、10dB衰减器和可变平衡电容器构成。所有部件均是通用的。图4示出了测试夹具的电路框图。C品是1~10pF可变平衡电容器,输人阻抗50α的10dB衰减器在测量频率范围内有尽可能低的VSWR(电压驻波比),它是通用的并有多家供货商。输人阻抗50Q的180°混合耦合器(或双路0°/180功率分配器/合成器)是通用的,并适用于被测量的频率范围测试夹具的机械结构一定考虑到RF工程的原则,具有小分布电容,并且输人和输出之间屏蔽良好。
被试元件
0°输出
输入。
180°混合鹅合器
180°输出
图4方法B的测试夹具电路框图
10dB衰减器
◎输出
注:为了自动测量,用两只有适当C-V特性的变容二极管反向串联连接,并做相应偏置来代替可变电容接人电路,3.2.1测量程序
3.2.1.1初始校准
调整输人端射频(RF)信号发生器的输出电平,使其不超过规定的最大激励电平:短路
在“被试元件”端口插人短路片。将Cbal置于最小电容值;读取复数输出电压Us;
开路平衡
在“被试元件”端口插入约2pF至5pF的小电容Copen,将Chal置于最小电容值并读取复数输出电压Uo。输出幅度应至少比短路输出电压低60dB;20log1o
基准设定
在“被试元件”端口放人与Copen并联的50Q或1002基准电阻。读取复数输出电压Urete
由复数输出电压U。和Utet计算(复数)夹具阻抗RT,[见式(26)]:·(25)
GB/T22319.9—2018/IEC60444-9:2007R|应为100(1±10%)2。
注:此后评估不再考虑相位测量。仅考虑幅度测量。响应测量
寄生响应测量按如下步骤:
初始平衡
·(26)
放人被试晶体元件,设置扫描频率范围约士500kHz或更宽。调整可变平衡电容器Cl,使整个响应图形对称显示如图5所示。-10-
20500000
21000000
额率/Hz
图5平衡装置Chal产生的对称的频率响应采用有图形界面的测量
21500000
扫描规定的频率范围FRpur。扫描时间应由式(6)~式(8)导出。目检寄生响应峰的幅度频谱。对于更精确的评估,可以缩放显示查看各个寄生响应的频率范围。次级间隔的扫描时间也应根据式(8)计算。
强寄生谐振模式:
对于与相邻的谐振有明显的间隔,且高于本底至少20dB的寄生谐振峰,则(最大导纳)频率位于峰值电压U处,(最大导纳)电阻R可以用式(27)计算。Rm=RT
·(27)
若幅度以相对于基准Rrr校准后的衰耗[单位为分贝(dB)给出,则(最大导纳)电阻R由a确定[见式(28)。
R=10(R+Rr)-R
(28)
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