石英晶體諧振器(通常稱為“晶體”)廣泛用于頻率控制應用,因為它們具有高Q值,穩定性,小尺寸和低成本的無與倫比的組合.已經研究了許多不同的物質作為可能的諧振器材料,但是多年來,石英諧振器在滿足精確頻率控制的需求方面是優選的.與其他諧振器,例如LC電路,諸如調諧叉的機械諧振器,以及基于壓電陶瓷諧振器或其他單晶材料相比,石英諧振器具有獨特的性能組合.
首先,單晶石英的材料特性隨時間,溫度和其他環境變化非常穩定,并且從一個樣品到另一個樣品具有高度可重復性.石英的聲學損耗或內部摩擦非常低,直接導致石英諧振器的關鍵特性之一,其極高的Q因子.石英的固有Q在1MHz時約為107.安裝的諧振器通常具有從數萬到數十萬的Q因子,其比最佳LC電路好幾個數量級.
石英晶振的第二個關鍵特性是其相對于溫度變化的穩定性.取決于晶體坯料的形狀和取向,可以使用許多不同的振動模式,并且可以通過適當的選擇將石英諧振器的頻率-溫度特性控制在接近的極限內.最常用的諧振器類型是AT切割,其中石英坯料是薄板形式,切割成與晶體光軸成約35°15'的角度.
石英諧振器的第三個基本特征與其機械性能的穩定性有關.商業單位可以很容易地獲得短期和長期穩定性,這種穩定性表現為頻率漂移,每年僅百萬分之幾.在嚴格控制條件下制造的精密晶體單元在頻率穩定性和精度方面僅次于原子鐘.
石英板方位
石英諧振器由適當安裝和金屬沉積的晶振石英板組成,使用體聲波（BAW）振動.最初石英板是由天然石英制成的,但今天幾乎只使用培養石英.板（也稱為晶片或坯料）相對于石英材料的晶軸以精確的取向制造.取向或“切割”決定了諧振器的頻率-溫度特性和其他重要特性.
以上是從用于制造AT切割諧振器的Y取向晶種生長的培養壓電石英晶體的示意圖.晶種建立初始晶體取向并且以Z軸為代價促進Y方向上的生長.仔細選擇晶種以避免隨晶體生長而可能傳播的缺陷.指示晶種的位置.從x軸向左傾斜的線標記AT板的鋸切位置,向右傾斜的線表示BT切割.在實踐中,這些角度非常關鍵,并且使用布拉格X射線衍射精確確定.
振動模式
與所有板一樣,石英板具有多種振動模式.振動有三種基本模式,如下圖所示.
（a）彎曲模式(彎曲或彎曲);切割:5°X,NT;頻率~100kHz.
（b）伸展模式(沿著板的長度移位);削減:MT,GT;頻率:40-200kHz.
（c）剪切模式(沿相反方向滑動兩個平行平面).此模式細分為:
面剪;削減:CT,DT;頻率:100-600kHz.
厚度剪切;削減:AT,BT,SC;頻率:1-30MHz(基本模式);30-90MHz(3次諧波泛音模式);60-150MHz(5次諧波泛音模式);等等
適當定向的電極激發所需的振動模式.雖然已經開發了大量不同的切口,但是一些僅在低頻下使用,而另一些則用于頻率控制以外的應用,還有一些已經被后來的開發所淘汰.除了石英鐘表中使用的低頻音叉諧振器之外,當今應用中的幾乎所有石英諧振器都使用厚度剪切模式.頻率高于約1MHz時,主要使用AT切割和SC切割.對于低于約1MHz的頻率,厚度模式諧振器由于尺寸通常變得不實用,因為毛坯直徑必須遠大于厚度.
AT-和SC-切割諧振器頻率
厚度剪切諧振器的基頻與其厚度成反比.晶體坯越薄,頻率越高.在第3,第5等諧波泛音中存在額外的共振,其頻率是基本共振頻率的近似但不精確的奇數倍.諧振器通常被設計成優化這些諧振中的一個或另一個的特性,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及以上的頻率范圍內制造,并且在此范圍內通常是大多數應用的最佳選擇.然而,AT切割對諧振器主體中的應力敏感,無論是由于快速外部溫度變化引起的溫度梯度,或外部力量.對于需要極端穩定性的應用,這種應力靈敏度是一個缺點,并且已經開發出更新的晶體切割,例如SC(應力補償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.
SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.對于需要極端穩定性的應用,這種應力靈敏度是一個缺點,并且已經開發出更新的晶體切割,例如SC(應力補償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.
SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.對于需要極端穩定性的應用,這種應力靈敏度是一個缺點,并且已經開發出更新的貼片晶振切割,例如SC(應力補償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.
SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.已經開發出更新的晶體切割,例如SC(應力補償)切割,以最大限度地減少這些影響.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.已經開發出更新的晶體切割,例如SC(應力補償)切割,以最大限度地減少這些影響.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.
SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為它的特殊角度~35°15°~21°54提供了最大的應力補償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內獲得,但是由于制造工藝困難,其商業可用性受到更多限制.
等效電路
石英晶體諧振器是一種機械振動系統,通過壓電效應與電氣世界相連.它由帶有金屬鍍層的石英板（電極）組成,它位于石英板的兩側,并連接到晶體封裝上的絕緣引線.雖然該裝置的理論分析是一種相對復雜的機電功能,但它可以用諧振頻率附近的簡單等效電路表示,如下所示:
石英晶體諧振器的等效電路
被稱為“分流”或靜電電容的C0是由于晶體板上的電極加上由于晶體外殼引起的雜散電容而產生的電容.無論晶體板是否振蕩,都存在分流電容（與石英的壓電效應無關）.電路的R,C1和L1部分被稱為“運動臂”,其由晶體的機械振動產生.R代表等效的運動臂阻力;C1表示石英的運動電容;L1是運動電感,是質量的函數.C0到C1比率是存儲在晶體中的電能和機械能之間的相互轉換的量度,即壓電耦合因子k.C0/C1隨著泛音數的平方而增加.當直流電壓施加到諧振器的電極時,電容比C0/C1也是由電極形成的電容器中存儲的電能與由晶體管中彈性存儲的能量的比率的量度.由壓電效應產生的晶格應變.
當使用大多數晶體諧振器時,由于C1和L1之間的絕對相關性,僅需要指定一個運動分量或另一個運動分量(對于給定的串聯諧振頻率,C1*L1是恒定的).行業標準是僅指定適當的C1值.當在石英晶體設計中實現時,C1的實際值具有物理限制.這些限制包括石英切割,機械設計,操作模式和晶體諧振器的標稱頻率.
雖然等效電路看起來相對簡單,但確定用于描述諧振器等效電路特性的幾個特征頻率卻令人驚訝地復雜.在大多數情況下,使用簡單的近似值.以下符號可用于確定其中一些頻率.
Fs（串聯共振頻率）=1/[2p（L1C1）1/2]
Fp（并聯諧振頻率）=fs[1+1/（2g）]
g（電容比）=2pfsC0/C1
Q（品質因數）=2pfsL1/R1
M（品質因數）=Q/g
系列與并行共振
由fs定義的振蕩發生的頻率稱為串聯諧振頻率.下面顯示的晶體的電抗/阻抗曲線顯示出發生機械共振的位置.
串聯諧振發生在曲線過零點.此時,晶體在電路中呈現電阻,阻抗最小,電流最大.隨著頻率增加超過串聯諧振點,晶體在電路中看起來是電感性的.當運動電感和并聯電容的電抗抵消時,晶體處于稱為反共振頻率的頻率,表示為(fp).此時,阻抗最大化并且電流最小化.fp處的晶體頻率本質上是不穩定的,不應該選擇振蕩器的工作頻率.fs和fp之間的區域通常稱為“并行共振區域”.通過向晶體串聯添加負載電容可以實現并聯諧振,從而產生由以下因素確定的正頻移:
dF=F小號c^1/2(C^0+C大號)
等效電路中不可避免的Co存在產生這種反共振,有時也稱為并聯共振.在這方面,r=C0/C1是重要的諧振器參數,因為它與諧振和反諧振之間的間隔成反比,從而確定濾波器中的最大帶寬和振蕩器中的調諧范圍.
言外之意
石英晶體在幾種同時諧振模式下自然振動,這些諧振模式稱為基波或泛音模式.通常,這些模式中的一個被設計成在期望的工作頻率下占主導地位.振動的基本頻率是諧振器物理尺寸和切割角度的函數.泛音模式在基本模式的奇數諧波,并包括3次,5次,7次,9次,11次.濾波器中可獲得的最大帶寬和振蕩器中的最大調諧范圍與電容比成反比,r=Co/C1,r隨著泛音的平方增加.因此,使用基模諧振器可以獲得比具有第三或更高泛音的更寬帶寬或更大的調諧范圍.基本模式諧振器用于大多數濾波器,溫度補償晶振(TCXO)和壓控振蕩器（VCXO）,其中所需的帶寬或調諧范圍使得泛音設備不合需要.基本原理也用于許多簡單的振蕩器,例如頻率高達約35MHz的時鐘振蕩器.在較高頻率下,泛音對于該應用來說更經濟.
目前的晶體制造工藝限制了石英板的研磨,使得可靠地實現的最高基模頻率通常約為45MHz.在該頻率下,AT切割石英板的厚度小于0.037mm,并且使用常規技術進一步研磨是不實際的.已經開發了幾種方法來通過從板的中心去除一些石英質量來增加可實現的基本模式頻率.這種所謂的“倒置臺面”提供了更薄的有源區域,并且通常通過化學或等離子體/離子蝕刻來實現.這些工藝可以產生高質量的高頻基波(HFF)模式晶體,達到170MHz甚至更高.基本模式晶體通常具有比相同頻率的泛音模式晶體更大的C1值;因此,它們對于需要更高可牽引性的VCXO等應用非常有用.高頻基本石英空白也廣泛用于濾波器應用,其中它們提供比相同頻率的泛音晶體更好的寄生模式響應.
在給定的工作頻率下,石英晶體老化和Q隨著更高的泛音而改善.出于這個原因,烤箱振蕩器OCXO晶振經常使用泛音諧振器.通常使用第3或第5泛音.適應諧振器頻率容差和老化特性所需的調諧范圍限制了最大有用泛音.
