石英晶體諧振器在電子領域的重要性源于其極高的Q值,相對較小的尺寸和優異的溫度穩定性.目前的石英晶振產品需具備更高的性能及穩定性才能滿足市場上的需求給產品帶來的更多的功能.
石英晶體諧振器利用石英的壓電特性.直接壓電效應是指施加機械應力導致某些材料的極化.相反的效果指的是通過施加電場在相同材料中產生的變形.在石英晶體諧振器中,相對于晶體軸以適當的方向切割的石英薄片放置在兩個電極之間.施加在這些電極上的交流電壓使壓電石英晶體產生共鳴振動.伴隨的極化變化構成通過諧振器的電位移電流.
當施加電壓的頻率接近石英片的機械諧振頻率之一時,振動的幅度變得非常大.伴隨的位移電流也增加,因此器件的有效阻抗在幅度上減小.隨著頻率在諧振附近變化,阻抗的快速變化是石英晶體諧振器在晶體振蕩器中用作頻率控制元件的關鍵因素.
在電學上,石英晶體可以由圖1的等效電路表示,其中串聯組合R1,L1和C1表示壓電效應對阻抗的貢獻,C0表示電極之間的分流電容以及任何雜散電容.電感L1是石英質量的函數,而電容C1與其硬度相關聯.電阻R1由石英和安裝裝置中的損耗引起.等效電路的參數可以測量到大約1%的精度.等效電路的電抗-頻率圖如圖2所示.有許多有關晶體性能的公式;第一個是fs.這是晶體串聯諧振的頻率,由下式給出:

其中fs以赫茲表示,L1以亨利表示,C1以法拉表示.

圖1-晶體的等效電路

頻率穩定度
晶振不穩定有幾個原因.溫度變化和質量的物理變化導致我們稱之為老化的長期漂移,這可能是我們最關心的.溫度變化的影響通過適當選擇晶體切割和(對于精密公差要求)在晶體電路中包括溫度相關電抗,或者通過在小烤箱中保持恒定溫度來最小化.AT切割晶體現在使用最廣泛,因為它們的頻率家族除了最苛刻的應用,溫度曲線很容易以低成本為所有應用提供良好的性能.

圖2-無功與頻率

未補償AT切割晶體的公差可從-10°C至60°C降低至5PM,更寬的溫度范圍需要更大的公差,如圖3所示,顯示了一系列典型的AT切割頻率-溫度曲線.這些曲線可以用三次方程來表示,并且強烈依賴于石英貼片晶振坯料的切割角度.零溫度系數的點稱為上下轉折點.通過選擇切割角度,可以在需要的地方放置一個轉折點;另一個是固定的,因為兩者都關于20-30°C范圍內的一點對稱.轉折點之間的斜率隨著它們一起移動而變小.設計用于烤箱的晶體被切割,使得上轉折點與烤箱工作溫度一致.
圖4顯示了幾次低頻切割的頻率溫度曲線.J形切口使用頻率低于10kHz,而XY形切口可以使用頻率在3kHz至85kHz之間.NT切割可以在10kHz范圍內使用.DT切割適用于100千赫至800千赫,CT切割適用于300千赫至900千赫.

圖4 -低頻控制

負載電容
晶體可以由制造商在fr校準,在fr,晶體看起來是電阻性的(或者fs,非常接近fr),或者與電容性負載諧振,當然,在那里晶體必須看起來是電感性的.后一種情況稱為負載諧振,一般用符號F1表示;更具體地,符號f30將例如表示晶體與30pF電容負載諧振的頻率.

圖5-頻率/負載電容

晶體電抗曲線上需要校準的點由電路配置決定.通常,有源晶振振蕩器中的非反相維持放大器需要在fr校準,反相放大器需要在某個"負載電容"CL值校準.后一種布置依賴于感應晶體以及與之諧振的負載電容,以提供進一步的180°相移.
這個規則最常見的例外是當一個小電容器,例如一個變容二極管,與同相放大器電路中的晶體串聯以提供一定程度的頻率調節.在這種情況下,必須校準晶體,使其與電容平均值共振.
可拉性