石英晶体谐振器在电子领域的重要性源于其极高的Q值,相对较小的尺寸和优异的温度稳定性.目前的石英晶振产品需具备更高的性能及稳定性才能满足市场上的需求给产品带来的更多的功能.
石英晶体谐振器利用石英的压电特性.直接压电效应是指施加机械应力导致某些材料的极化.相反的效果指的是通过施加电场在相同材料中产生的变形.在石英晶体谐振器中,相对于晶体轴以适当的方向切割的石英薄片放置在两个电极之间.施加在这些电极上的交流电压使压电石英晶体产生共鸣振动.伴随的极化变化构成通过谐振器的电位移电流.
当施加电压的频率接近石英片的机械谐振频率之一时,振动的幅度变得非常大.伴随的位移电流也增加,因此器件的有效阻抗在幅度上减小.随着频率在谐振附近变化,阻抗的快速变化是石英晶体谐振器在晶体振荡器中用作频率控制元件的关键因素.
在电学上,石英晶体可以由图1的等效电路表示,其中串联组合R1,L1和C1表示压电效应对阻抗的贡献,C0表示电极之间的分流电容以及任何杂散电容.电感L1是石英质量的函数,而电容C1与其硬度相关联.电阻R1由石英和安装装置中的损耗引起.等效电路的参数可以测量到大约1%的精度.等效电路的电抗-频率图如图2所示.有许多有关晶体性能的公式;第一个是fs.这是晶体串联谐振的频率,由下式给出:

其中fs以赫兹表示,L1以亨利表示,C1以法拉表示.

图1-晶体的等效电路

频率稳定度
晶振不稳定有几个原因.温度变化和质量的物理变化导致我们称之为老化的长期漂移,这可能是我们最关心的.温度变化的影响通过适当选择晶体切割和(对于精密公差要求)在晶体电路中包括温度相关电抗,或者通过在小烤箱中保持恒定温度来最小化.AT切割晶体现在使用最广泛,因为它们的频率家族除了最苛刻的应用,温度曲线很容易以低成本为所有应用提供良好的性能.

图2-无功与频率

未补偿AT切割晶体的公差可从-10°C至60°C降低至5PM,更宽的温度范围需要更大的公差,如图3所示,显示了一系列典型的AT切割频率-温度曲线.这些曲线可以用三次方程来表示,并且强烈依赖于石英贴片晶振坯料的切割角度.零温度系数的点称为上下转折点.通过选择切割角度,可以在需要的地方放置一个转折点;另一个是固定的,因为两者都关于20-30°C范围内的一点对称.转折点之间的斜率随着它们一起移动而变小.设计用于烤箱的晶体被切割,使得上转折点与烤箱工作温度一致.
图4显示了几次低频切割的频率温度曲线.J形切口使用频率低于10kHz,而XY形切口可以使用频率在3kHz至85kHz之间.NT切割可以在10kHz范围内使用.DT切割适用于100千赫至800千赫,CT切割适用于300千赫至900千赫.

图4 -低频控制

负载电容
晶体可以由制造商在fr校准,在fr,晶体看起来是电阻性的(或者fs,非常接近fr),或者与电容性负载谐振,当然,在那里晶体必须看起来是电感性的.后一种情况称为负载谐振,一般用符号F1表示;更具体地,符号f30将例如表示晶体与30pF电容负载谐振的频率.

图5-频率/负载电容

晶体电抗曲线上需要校准的点由电路配置决定.通常,有源晶振振荡器中的非反相维持放大器需要在fr校准,反相放大器需要在某个"负载电容"CL值校准.后一种布置依赖于感应晶体以及与之谐振的负载电容,以提供进一步的180°相移.
这个规则最常见的例外是当一个小电容器,例如一个变容二极管,与同相放大器电路中的晶体串联以提供一定程度的频率调节.在这种情况下,必须校准晶体,使其与电容平均值共振.
可拉性

图6-典型的晶体提拉灵敏度

对于给定的负载电容变化,贴片晶振的可拉性是其频率变化的量度.这通常表示为串联谐振频率(fr)和负载谐振频率(fL)之间的差值.这个偏移可以使用分数负载谐振频率偏移(DL)以百万分之几计算,对于给定值CL,实际频率从fr变化到fL.

其中C1,C0和CL都用相同的单位表示.
图5显示了频率变化对负载电容变化的影响的典型曲线.或者,通常将晶体的可拉性表示为负载电容每pF变化的微调灵敏度,单位为ppm.这由以下单位以ppm/pF表示:

其中C1,C0和CL以pF表示,并且在图6中图示了(C0+CL)的各种值.

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