石英晶振的优点是,它的弹性常数和尺寸的变化使得频率对温度的依赖性非常低.具体特征取决于振动模式和石英切割的角度(相对于其晶轴).因此,取决于其尺寸的板的共振频率变化不大.这意味着石英钟,滤波器或振荡器保持精确.对于关键应用,石英振荡器安装在温控容器中,称为晶体炉,也可以安装在减震器上,以防止外部机械振动的扰动.
造型
电气模型
石英晶体可以被建模为具有紧密间隔的低阻抗(串联)和高阻抗(并联)谐振点的电网络.数学上(使用拉普拉斯变换),该网络的阻抗可以写成:
或者
其中s是复数频率(),是串联谐振角频率,是并联谐振角频率.
振荡器中压电石英晶振的示意符号和等效电路
在晶体上增加电容会导致(并联)谐振频率降低.在晶体上增加电感会导致(并联)谐振频率增加.这些效应可以用来调节晶体振荡的频率.晶体制造商通常切割和修整晶体,使其具有特定的谐振频率,并在晶体中添加已知的"负载"电容.例如,当一个6.0pF电容置于其上时,用于6pF负载的晶体具有其指定的并联谐振频率.没有负载电容,谐振频率更高.共振模式石英晶体提供串联和并联共振.串联谐振比并联谐振低几千赫兹.低于30MHz的晶体通常在串联和并联谐振之间工作,这意味着晶体在工作中表现为感抗,该电感形成具有外部连接并联电容的并联谐振电路.任何与晶体并联的小电容都会降低频率.此外,可以通过增加与晶体串联的电容器来降低晶体的有效感抗.后一种技术可以提供一种在窄范围内微调振荡频率的有用方法;在这种情况下,插入与晶体串联的电容会提高振荡频率.要使晶体以其规定的频率工作,电子电路必须与晶体制造商规定的完全一致.请注意,这些点暗示了这个频率范围内石英晶体振荡器的微妙之处:晶体通常不会精确地在其任何一个谐振频率下振荡.
30MHz以上(高达>200MHz)的晶体通常在串联谐振下工作,此时阻抗最小,等于串联电阻.对于这些晶体,指定串联电阻(<100ω),而不是并联电容.为了达到更高的频率,可以使晶体以其泛音模式之一振动,泛音模式出现在基频谐振频率的倍数附近.仅使用奇数泛音.这种晶体被称为第三,第五甚至第七泛音晶体.为了实现这一点,振荡器电路通常包括附加的LC电路来选择所需的泛音.温度效应晶体的频率特性取决于晶体的形状或"切割".音叉晶振通常被切割成其频率对温度的依赖性是最大值在25℃左右的二次曲线.这意味着音叉晶体振荡器在室温下谐振接近其目标频率,但是当温度从室温升高或降低时会变慢.32千赫音叉晶体的公共抛物线系数为0.04ppm/°C:
在实际应用中,这意味着使用常规32千赫音叉晶体构建的时钟在室温下保持良好的时间,但是由于石英晶振的缘故,在高于或低于室温的10℃下每年损失2分钟,在高于或低于室温的20℃下每年损失8分钟.
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