本文介紹了晶體和晶體振蕩器的規格和特性，并有助于指定晶體和與晶體供應商合作。本文介紹了晶體的重要性能特征，包括諧振頻率、諧振模式、負載電容、串聯電阻、保持器電容、運動電感和電容、溫度校準和驅動電平。

介紹

石英是一種壓電材料，當放置在電場中時會移動。石英晶體是一塊振動的石英。石英晶體有多種形狀和尺寸可供選擇，并且性能規格范圍很廣。這些規格包括諧振頻率、諧振模式、負載電容、串聯電阻、保持電容、運動電感和電容、溫度校準和驅動電平。如果您了解這些參數以及它們與晶體性能的關系，您將成功地為您的應用指定晶體。

石英晶體可以建模為與并聯電容器并聯的串聯LRC電路。圖1顯示了這個通用電路模型。

圖1.通用晶體模型（基本模式）。

現在，我們將詳細查看每個關鍵性能規格。

共振頻率

低于30MHz的晶體通常指定在基頻;高于 30MHz 時，它們通常指定為 3RD, 5千，甚至 7 個千泛音。（泛音僅在奇數倍處出現。因此，重要的是要知道振蕩器是在基波模式下還是在泛音模式下工作。

泛音在概念上類似于諧波，只是晶體振蕩泛音不是基波的精確整數倍。泛音選擇基于使用盡可能低的泛音，這將導致晶體的基頻低于30MHz。供應商校準 3RD泛音水晶在 3RD泛音，不是根本。例如，大多數晶體供應商會自動給你一個3RD泛音 50MHz 晶體（如果未指定基頻模式或泛音模式）。如果插入 50MHz，則 3RD泛音晶體 進入專為基波模式晶體設計的振蕩器電路，您可能會有一個以 50/3 或 16.666MHz 運行的振蕩器！如果您不知道晶體的頻率模式，請聯系振蕩器電路的設計者或制造商。

晶體供應商提供泛音晶體，因為隨著頻率的增加，石英材料變得越來越薄。15MHz至30MHz之間的晶體以基波或3RD泛音。從大約 30MHz 開始，石英變得如此薄，以至于在制造過程中難以處理，晶體供應商不喜歡處理薄石英。考慮到薄石英涉及的額外制造工作，選擇泛音模式而不是基頻模式指定的晶體可以大大降低成本。

石英晶體加工的最新發明是倒臺面晶體，可以在更高的基波模式頻率下制造出更薄的結構。倒置臺面晶體具有兩個顯著的優點：它們可實現不太復雜的高頻振蕩器設計;它們通過避免使用外部電感器/電容來從晶體中感應出適當的泛音振蕩模式來減少元件數量。.倒臺面晶體的制造商可以指定遠高于30MHz的基波模式晶體。但請注意，并非所有晶體供應商都可以提供倒置臺面技術。請記住，泛音模式晶體不能用于基波模式振蕩器，反之亦然。在這種情況下，泛音模式晶體可能會振蕩，但頻率不正確。

共振模式

晶體有兩種共振模式，并聯和串聯，所有晶體都表現出兩種共振模式。振蕩器電路針對一種模式或另一種模式進行校準，但不能同時校準兩種模式。對于頻率精度要求不高于100ppm的應用，諧振模式通常不是問題。但是，如果您試圖將頻率（或時間）控制在100ppm以內，則諧振模式規格變得很重要。晶體供應商主要關心的是晶體在制造過程中以哪種模式進行校準。知道這些信息后，晶體供應商隨后在客戶指定的串聯諧振或并聯諧振中設置一個振蕩器電路，并校準晶體。圖2顯示了晶體阻抗行為與頻率的關系，以及每種諧振模式的相對位置。

圖2.晶體阻抗與頻率的關系。

負載電容

負載電容是使用并聯諧振振蕩模式時的重要規格。圖2顯示，晶體并聯諧振模式始終高于串聯諧振頻率，并以感抗為特征。在并聯諧振振蕩模式下，晶體的電感（運動電感）與振蕩器的負載電容并聯，從而形成LC諧振電路。該LC確定振蕩器頻率。如果您的振蕩器使用并行諧振，晶體供應商必須知道振蕩器電路采用的負載電容。負載電容只是將晶體放置在振蕩器電路中時與晶體本身并聯的外部電路電容量。然后，晶體供應商將確保您的晶體在工廠使用相同的負載電容進行校準。供應商在負載電容方面非常靈活。詢問他們可以指定什么負載電容范圍。振蕩器應在晶體供應商可接受的負載電容范圍內。

對于串聯諧振晶體，可以忽略負載電容規格。這是正確的，因為晶體的運動電感和運動電容是決定振蕩頻率的唯一LC元件。

在圖2中，當晶體模型的凈電感元件與晶體的內部保持電容共振時，就會發生反諧振。反諧振不用于振蕩器設計。

串聯電阻

串聯電阻是與晶體本身的LC模型串聯的有效電阻元件（見圖1）。振蕩器電路可以容忍一定程度的串聯電阻，但不能太大。大多數晶體的典型范圍為25Ω至100Ω。晶體供應商通常表征該電阻，并指定串聯電阻的典型值或最大值。過大的晶體串聯電阻會導致振蕩器啟動失敗，因此必須在振蕩器設計中內置足夠的裕量。

上述準則的一個例外是32.768kHz手表晶體，其串聯電阻可以在幾十千歐姆。因此，對于此應用，振蕩器電路必須適應這種高串聯電阻。如果不解決這個問題，將導致32.768kHz振蕩器不振蕩。您不應期望使用專為 10MHz 晶體設計的振蕩器和 32.768kHz 晶體。這是行不通的。

保持器電容

所有晶體都有小電極，將晶體連接到封裝引腳。電極形成與晶體LC模型并聯的分流電容，如圖1所示。根據晶體的尺寸和封裝，支架電容可能會有所不同。典型值范圍為 2pF 至 6pF。一些振蕩器不能容忍過大的保持電容。在較高頻率下尤其如此，因為保持器電容的電抗會降低。確保晶體供應商的支架電容在振蕩器的允許范圍內。作為一般規則，最小化保持座電容（越小越好）。

運動電感和電容

運動電感和電容是晶體供應商提供的規格。它們描述了構成晶體電LC模型的L和C值。L與C的極端比值得注意，因為它在工作頻率下會產生非常大的感性和容性電抗值。這些大值使晶體具有極高的“品質因數”，也稱為“Q”。（Q是儲存的能量與耗散能量的比值，也稱為諧振頻率下的電抗與串聯電阻之比。對于 LRC 電路，Q = 1/R * 平方 （L/C）。（此推導超出了本文的范圍。高Q值是理想的，因為較高的Q值意味著振蕩器負載電容變化時的頻率偏移較小，而由于振蕩器電源電壓等其他外部因素引起的偏移較小。根據您的應用，您的振蕩器電路可能需要也可能不需要運動電感和電容的規格。

溫度校準

石英晶體的頻率隨溫度而變化。頻率變化的量取決于石英從原始晶體切割的角度。隨著頻率的容差變小，溫度范圍也隨之減小。AT切割晶體最常用于其在寬溫度范圍內的最高穩定性。

驅動器級別

必須限制晶體中的功率耗散，否則石英晶體實際上會因過度的機械振動而失效。由于非線性行為，晶體特性也隨驅動電平而變化。分析振蕩器設計以確定晶體中的功耗。功耗是晶體電流平方乘以晶體串聯電阻的乘積。對于并聯諧振振蕩器，晶體電流等于負載電容兩端的RMS電壓除以負載電容在振蕩器頻率下的電抗。對于串聯諧振晶體，晶體電流是晶體兩端的RMS電壓除以晶體內部串聯電阻。晶體制造商將為特定產品線指定最大驅動級別。

總結意見

隨著晶體出現在更多使用微控制器、數字信號處理器和數據轉換器的產品中，預計晶體的使用量將會增加。晶體技術也在向前發展，從而帶來更好的性能和更低的成本。目前，采用鎖相環（PLL）的器件可以低成本地獲得更高的頻率，例如MAX9471/MAX9472，從最小200MHz的石英晶體輸入輸出高達5MHz的信號。將光纖技術與MAX3610等PLL結合使用，可獲得212.5MHz的更高性能輸出信號，抖動低至0.7ps有效值來自 26.56MHz 晶體輸入。

乍一看，晶體似乎是簡單的元件，只需插入電路即可。然而，對實際電路模型的分析以及對關鍵參數的理解揭示了它們的復雜性，并簡化了將它們設計到下一個應用中的過程。以下方便的晶體規格工作表將幫助您指定和訂購石英晶體。

審核編輯：郭婷