石英晶体振荡器中使用的石英晶体是一块非常小的薄片或切割石英晶片,两个平行表面被金属化以形成所需的电连接.一块石英晶振的物理尺寸和厚度受到严格控制,因为它会影响振荡的最终或基本频率.基频通常称为晶体"特征频率".

切割成型后,晶体不能以任何其他频率使用.换句话说,它的大小和形状决定了它的基本振荡频率.

晶体特征或特征频率与两个金属化表面之间的物理厚度成反比.机械振动晶体可以由等效电路表示.该电路包括低电阻R,大电感L和小电容C,如下所示.

石英晶体等效模型

石英晶体的等效电路显示了一系列RLC电路,它代表晶振的机械振动,与电容Cp并联,代表与晶体的电连接.石英晶体振荡器倾向于朝着它们的"串联谐振"运行.

晶体的等效阻抗具有串联谐振,其中Cs与晶体工作频率下的电感,Ls谐振.这个频率称为晶体系列频率,ƒs.除了该串联频率之外,还存在由于当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振器时产生的并联谐振而建立的第二频率点,如图所示.

晶体阻抗频率

石英晶体阻抗石英晶体阻抗公式

上面的晶体阻抗的斜率表明随着频率在其端子上增加.在特定频率下,串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用产生串联谐振电路,将贴片晶振阻抗减小到最小并等于Rs.该频率点称为晶体串联谐振频率ƒs,低于ƒs晶体是电容性的.

当频率增加到高于该串联谐振点时,晶体表现得像电感器,直到频率达到其并联谐振频率ƒp.在该频率点,串联电感器Ls和并联电容器Cp之间的相互作用产生并联调谐LC谐振电路,因此晶体上的阻抗达到其最大值.

然后我们可以看到石英晶振是串联和并联调谐谐振电路的组合,以两个不同的频率振荡,两者之间的差异非常小,这取决于晶体的切割.此外,由于晶体可以在其串联或并联谐振频率下工作,因此晶体振荡器电路需要调谐到一个或另一个频率,因为您不能同时使用它们.

因此,根据电路特性,石英晶体可以充当电容器,电感器,串联谐振电路或并联谐振电路,为了更清楚地证明这一点,我们还可以绘制晶体电抗与频率的关系,如图所示.

晶体对频率的反应

石英晶体电抗 石英晶体电抗配方

电抗对上述频率的斜率表明,频率fs处的串联电抗与Cs成反比,因为低于ƒs且高于ƒp,晶体看起来是电容性的.在频率ƒs和ƒp之间,当两个并联电容抵消时,压电石英晶体看起来是电感性的.