石英晶体谐振器(通常称为“晶体”)广泛用于频率控制应用,因为它们具有高Q值,稳定性,小尺寸和低成本的无与伦比的组合.已经研究了许多不同的物质作为可能的谐振器材料,但是多年来,石英谐振器在满足精确频率控制的需求方面是优选的.与其他谐振器,例如LC电路,诸如调谐叉的机械谐振器,以及基于压电陶瓷谐振器或其他单晶材料相比,石英谐振器具有独特的性能组合.
首先,单晶石英的材料特性随时间,温度和其他环境变化非常稳定,并且从一个样品到另一个样品具有高度可重复性.石英的声学损耗或内部摩擦非常低,直接导致石英谐振器的关键特性之一,其极高的Q因子.石英的固有Q在1MHz时约为107.安装的谐振器通常具有从数万到数十万的Q因子,其比最佳LC电路好几个数量级.
石英晶振的第二个关键特性是其相对于温度变化的稳定性.取决于晶体坯料的形状和取向,可以使用许多不同的振动模式,并且可以通过适当的选择将石英谐振器的频率-温度特性控制在接近的极限内.最常用的谐振器类型是AT切割,其中石英坯料是薄板形式,切割成与晶体光轴成约35°15'的角度.
石英谐振器的第三个基本特征与其机械性能的稳定性有关.商业单位可以很容易地获得短期和长期稳定性,这种稳定性表现为频率漂移,每年仅百万分之几.在严格控制条件下制造的精密晶体单元在频率稳定性和精度方面仅次于原子钟.
石英板方位
石英谐振器由适当安装和金属沉积的晶振石英板组成,使用体声波（BAW）振动.最初石英板是由天然石英制成的,但今天几乎只使用培养石英.板（也称为晶片或坯料）相对于石英材料的晶轴以精确的取向制造.取向或“切割”决定了谐振器的频率-温度特性和其他重要特性.
以上是从用于制造AT切割谐振器的Y取向晶种生长的培养压电石英晶体的示意图.晶种建立初始晶体取向并且以Z轴为代价促进Y方向上的生长.仔细选择晶种以避免随晶体生长而可能传播的缺陷.指示晶种的位置.从x轴向左倾斜的线标记AT板的锯切位置,向右倾斜的线表示BT切割.在实践中,这些角度非常关键,并且使用布拉格X射线衍射精确确定.
振动模式
与所有板一样,石英板具有多种振动模式.振动有三种基本模式,如下图所示.
（a）弯曲模式(弯曲或弯曲);切割:5°X,NT;频率~100kHz.
（b）伸展模式(沿着板的长度移位);削减:MT,GT;频率:40-200kHz.
（c）剪切模式(沿相反方向滑动两个平行平面).此模式细分为:
面剪;削减:CT,DT;频率:100-600kHz.
厚度剪切;削减:AT,BT,SC;频率:1-30MHz(基本模式);30-90MHz(3次谐波泛音模式);60-150MHz(5次谐波泛音模式);等等
适当定向的电极激发所需的振动模式.虽然已经开发了大量不同的切口,但是一些仅在低频下使用,而另一些则用于频率控制以外的应用,还有一些已经被后来的开发所淘汰.除了石英钟表中使用的低频音叉谐振器之外,当今应用中的几乎所有石英谐振器都使用厚度剪切模式.频率高于约1MHz时,主要使用AT切割和SC切割.对于低于约1MHz的频率,厚度模式谐振器由于尺寸通常变得不实用,因为毛坯直径必须远大于厚度.
AT-和SC-切割谐振器频率
厚度剪切谐振器的基频与其厚度成反比.晶体坯越薄,频率越高.在第3,第5等谐波泛音中存在额外的共振,其频率是基本共振频率的近似但不精确的奇数倍.谐振器通常被设计成优化这些谐振中的一个或另一个的特性,例如基波或第三泛音,但是其他泛音必然仍然存在.AT切割通常在1MHz至250MHz及以上的频率范围内制造,并且在此范围内通常是大多数应用的最佳选择.然而,AT切割对谐振器主体中的应力敏感,无论是由于快速外部温度变化引起的温度梯度,或外部力量.对于需要极端稳定性的应用,这种应力灵敏度是一个缺点,并且已经开发出更新的晶体切割,例如SC(应力补偿)切割,以最小化这些影响.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.
SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.对于需要极端稳定性的应用,这种应力灵敏度是一个缺点,并且已经开发出更新的晶体切割,例如SC(应力补偿)切割,以最小化这些影响.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.
SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.对于需要极端稳定性的应用,这种应力灵敏度是一个缺点,并且已经开发出更新的贴片晶振切割,例如SC(应力补偿)切割,以最小化这些影响.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.
SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.已经开发出更新的晶体切割,例如SC(应力补偿)切割,以最大限度地减少这些影响.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.已经开发出更新的晶体切割,例如SC(应力补偿)切割,以最大限度地减少这些影响.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.
SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的应力补偿.SC切割也是厚度模式谐振器,因此基本上可以在与AT切割相同的频率范围内获得,但是由于制造工艺困难,其商业可用性受到更多限制.
等效电路
石英晶体谐振器是一种机械振动系统,通过压电效应与电气世界相连.它由带有金属镀层的石英板（电极）组成,它位于石英板的两侧,并连接到晶体封装上的绝缘引线.虽然该装置的理论分析是一种相对复杂的机电功能,但它可以用谐振频率附近的简单等效电路表示,如下所示:
石英晶体谐振器的等效电路
被称为“分流”或静电电容的C0是由于晶体板上的电极加上由于晶体外壳引起的杂散电容而产生的电容.无论晶体板是否振荡,都存在分流电容（与石英的压电效应无关）.电路的R,C1和L1部分被称为“运动臂”,其由晶体的机械振动产生.R代表等效的运动臂阻力;C1表示石英的运动电容;L1是运动电感,是质量的函数.C0到C1比率是存储在晶体中的电能和机械能之间的相互转换的量度,即压电耦合因子k.C0/C1随着泛音数的平方而增加.当直流电压施加到谐振器的电极时,电容比C0/C1也是由电极形成的电容器中存储的电能与由晶体管中弹性存储的能量的比率的量度.由压电效应产生的晶格应变.
当使用大多数晶体谐振器时,由于C1和L1之间的绝对相关性,仅需要指定一个运动分量或另一个运动分量(对于给定的串联谐振频率,C1*L1是恒定的).行业标准是仅指定适当的C1值.当在石英晶体设计中实现时,C1的实际值具有物理限制.这些限制包括石英切割,机械设计,操作模式和晶体谐振器的标称频率.
虽然等效电路看起来相对简单,但确定用于描述谐振器等效电路特性的几个特征频率却令人惊讶地复杂.在大多数情况下,使用简单的近似值.以下符号可用于确定其中一些频率.
Fs（串联共振频率）=1/[2p（L1C1）1/2]
Fp（并联谐振频率）=fs[1+1/（2g）]
g（电容比）=2pfsC0/C1
Q（品质因数）=2pfsL1/R1
M（品质因数）=Q/g
系列与并行共振
由fs定义的振荡发生的频率称为串联谐振频率.下面显示的晶体的电抗/阻抗曲线显示出发生机械共振的位置.
串联谐振发生在曲线过零点.此时,晶体在电路中呈现电阻,阻抗最小,电流最大.随着频率增加超过串联谐振点,晶体在电路中看起来是电感性的.当运动电感和并联电容的电抗抵消时,晶体处于称为反共振频率的频率,表示为(fp).此时,阻抗最大化并且电流最小化.fp处的晶体频率本质上是不稳定的,不应该选择振荡器的工作频率.fs和fp之间的区域通常称为“并行共振区域”.通过向晶体串联添加负载电容可以实现并联谐振,从而产生由以下因素确定的正频移:
dF=F小号c^1/2(C^0+C大号)
等效电路中不可避免的Co存在产生这种反共振,有时也称为并联共振.在这方面,r=C0/C1是重要的谐振器参数,因为它与谐振和反谐振之间的间隔成反比,从而确定滤波器中的最大带宽和振荡器中的调谐范围.
言外之意
石英晶体在几种同时谐振模式下自然振动,这些谐振模式称为基波或泛音模式.通常,这些模式中的一个被设计成在期望的工作频率下占主导地位.振动的基本频率是谐振器物理尺寸和切割角度的函数.泛音模式在基本模式的奇数谐波,并包括3次,5次,7次,9次,11次.滤波器中可获得的最大带宽和振荡器中的最大调谐范围与电容比成反比,r=Co/C1,r随着泛音的平方增加.因此,使用基模谐振器可以获得比具有第三或更高泛音的更宽带宽或更大的调谐范围.基本模式谐振器用于大多数滤波器,温度补偿晶振(TCXO)和压控振荡器（VCXO）,其中所需的带宽或调谐范围使得泛音设备不合需要.基本原理也用于许多简单的振荡器,例如频率高达约35MHz的时钟振荡器.在较高频率下,泛音对于该应用来说更经济.
目前的晶体制造工艺限制了石英板的研磨,使得可靠地实现的最高基模频率通常约为45MHz.在该频率下,AT切割石英板的厚度小于0.037mm,并且使用常规技术进一步研磨是不实际的.已经开发了几种方法来通过从板的中心去除一些石英质量来增加可实现的基本模式频率.这种所谓的“倒置台面”提供了更薄的有源区域,并且通常通过化学或等离子体/离子蚀刻来实现.这些工艺可以产生高质量的高频基波(HFF)模式晶体,达到170MHz甚至更高.基本模式晶体通常具有比相同频率的泛音模式晶体更大的C1值;因此,它们对于需要更高可牵引性的VCXO等应用非常有用.高频基本石英空白也广泛用于滤波器应用,其中它们提供比相同频率的泛音晶体更好的寄生模式响应.
在给定的工作频率下,石英晶体老化和Q随着更高的泛音而改善.出于这个原因,烤箱振荡器OCXO晶振经常使用泛音谐振器.通常使用第3或第5泛音.适应谐振器频率容差和老化特性所需的调谐范围限制了最大有用泛音.
