设计晶体振荡器

本教程重点介绍有关石英晶体的所有内容，石英晶体是电子领域广泛使用的材料之一。还讨论了它的属性、为什么它在某些设备上高度适用以及它在某些条件下的行为方式。特别是石英晶体作为振荡器原材料的应用是本文献的中心内容。

石英晶体是具有压电特性的机械谐振器。压电特性（晶体上的电势与机械变形成正比）允许它们用作电路元件。晶体因其高品质因数 (QF)、出色的频率稳定性、严格的容差和相对较低的成本而被广泛用作振荡器中的谐振元件。

晶体模型的基础知识

石英晶体的电气模型被建模为与并联电容并联的串联 RLC 分支（图 1）。串联 RLC 分支（通常称为运动臂）对机械石英谐振器的压电耦合进行建模。并联电容表示由电极金属化的平行板电容和杂散封装电容形成的物理电容。

图 1 所示的模型适用于基本模式操作。类似的模型也适用于晶体谐振器的泛音操作。泛音模型包括与图 1 所示元件并联的附加串联 RLC 分支。附加泛音 RLC 串联分支的谐振频率接近基本串联谐振频率的奇数倍。

负载电容

许多晶体振荡器在晶体和所施加的负载电容的并联谐振点处工作。负载电容定义为晶体封装外部、施加在晶体端子之间的有效电容，如图 2 所示。晶体制造商指定了给定的负载电容以及工作频率。

使用与制造商指定的负载电容不同的负载电容进行操作会导致相对于制造商指定的频率出现振荡频率误差。频率误差是由于晶体的电容“牵引”造成的。这可以通过并联组合并联和负载电容来证明，然后将该总和的并联加负载电容与动电容串联组合以形成整体有效电容。

老化

晶体的串联谐振频率会随着时间的推移而缓慢变化。这就是所谓的老化。一般来说，几年内频率会发生百万分之几的变化。大部分变化通常发生在头一两年内。老化通常归因于晶体质量随时间的变化。在较高的温度和较高的振荡幅度下，老化速度会加快。

杂散模式

不期望的机械共振通常存在于基频附近。这些“杂散模式”可以建模为与所需基频 RLC 分支并联的附加串联 RLC 分支，其方式与建模泛音操作的方式相同。杂散模式比所需模式具有更大的损耗（振荡机会更少）；它们通常不会引起晶体振荡器问题，除非它们的损耗非常低或有源电路受到非常弱的限制。