Cardinal石英晶体的工作原理CSM4Z-A2B3C3-60-6.0D18

石英晶体单元作为振荡器电路的控制元件，通过将机械振动转换为特定频率的电流。这是通过“压电”效应来实现的。压电是由压力产生的电力。在压电材料中，沿一个轴施加机械压力将导致沿一个与第一轴成直角的轴产生电荷。在某些材料中，发现了逆压电效应，这意味着在轴的两端施加一个电场将导致沿轴与第一轴成直角的机械偏转。在机械、电气和化学性能方面，石英特别适合用于制造频率控制装置。多年来，在一定频率和温度范围内振荡的石英晶体单元已经发展出来。

石英晶体谐振器最实用的原料是结晶二氧化硅，二氧化硅。这是由于它的机械和化学稳定性，加上良好的压电常数。材料中微小的摩擦损失保证了制造非常高质量因素的机电振荡器。

在自然界中，二氧化硅有不同的形式，其中一种是石英。尽管地球表面14%的14%由二氧化硅组成，但很少找到合适尺寸和必要纯度的石英。因此，培养的石英已经被开发出来。培养的石英是由二氧化硅的热饱和溶液，在大型钢高压釜中，温度约为400°C，压力为1000公斤/cm2。晶体的轴向生长是由之前种植在高压釜中的种子控制的。生长速率可达每天2.5毫米。为了获得纯晶体，首选有控制的缓慢生长速率。从培养的石英中提取的石英晶体的产率高于使用生长的石英时。

温度系数与石英坯料随温度变化的频率稳定性有关，这是石英小体积晶振、振动方式和切割类型的函数。高频率AT晶体的频率-温度曲线，称为在特定温度范围（°C）下的频率偏差（以PPM为单位），曲线族可用于定义切割空白中心周围的最大允许偏差（以分钟为单位）。

在各种元素中，“AT”切割已经成为最受欢迎的，因为它具有相对较高的频率，表现出良好的频率和温度稳定性，并以合理的成本广泛使用。

基本vs。泛音主要是在指定“AT”切割晶体单位时值得关注的问题。这些单元随着谐振器板厚度的减少而使频率增加。在某个点，通常在30兆赫左右，板变得太薄，无法有效处理。由于“AT”将在基频的奇整数倍处产生共振，因此在排序更高频率的晶体时，有必要指定所需的泛音顺序。

驱动水平是由晶体耗散的功率。驱动电平通常以微瓦或毫瓦指定，典型值为100微瓦。

“系列”谐振晶体用于石英晶体振荡器反馈回路中无无功元件的电路。“平行”谐振晶体旨在用于在振荡器反馈回路中包含无功元件（通常是电容器）的电路。这种电路依赖于无功组分和晶体的组合来完成启动和维持指定频率振荡所需的相移。

可拉性是指一个晶体单元的频率从一个自然谐振频率（FR）到一个负载谐振频率（FL），或从一个负载谐振频率到另一个谐振频率的变化。在给定的负载电容值下所显示的可拉性量是晶体单元的分流电容（C0）和运动电容（C1）的函数。

石英晶体的等效电路可以用来解释晶体的性能。

Co是一个晶体的分流器或静态电容。该参数等于从针到针测量的电容之和，包括电极和安装结构。

L1、c1和r1是晶体的运动臂

L1，运动电感，由运动中石英的机械质量决定。汤普森的公式涉及到L1和c1的规格。

c1是晶体的运动电容。该参数由石英的刚度（常数）、电极的面积以及石英晶片的厚度和形状决定。

R1代表一个晶体的等效串联电阻（ESR）。它是振动过程中的机械损失的函数。低阻力是很少的机械损失发生的一个迹象。电阻越低，晶体就越容易振荡。

晶体规格的三个主要组成部分是：室温下校准，温度范围内的稳定性，老化

室温下的校准是对+25°C下频率精度的测量。通过改变电极的质量，贴片晶振晶体频率在规定的容差范围内进行调整。较低的频率对质量变化不太敏感，因此更容易保持更紧的公差。公差和稳定性以百万分之一（ppm）进行测量。

石英棒被切割的角度决定了在温度范围内的稳定性。一个非常受欢迎的切割是“AT”切割。切割的准确性决定了ppm在一个温度范围内的变化的紧密程度。

老化被定义为频率随时间的变化。影响该规范的因素有两个因素：污染和应力。请参见关于老化的部分。

负载容量是通过晶体端子测量或计算的总电路的动态容量。在并联电路中，应选择负载容量来操作晶体在fr-fa电抗曲线上的一个稳定点（尽可能接近fr）。

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下面是一个振荡器电路的例子，其中晶体被期望在其平行模式下运行。如果将串联晶体放入该电路，频率将高约0.02%。

负载电容（CL）在皮片（pF）中规定，可通过以下公式计算：

杂散包括引脚到引脚，在C1和C2引脚的振荡器级的输入和输出电容以及任何额外的寄生。通常假定Cstray等于5 pF。如果C1和C2各等于22 pF，则CL =为16 pF。

如果石英晶体振荡器级配置为与晶体完全等于0°或360°的倍数的相移，则晶体将以串联共振（fr）工作。晶体的负载容量必须指定为“系列共振”。

晶体单元的质量因子(Q)值是对单元相对质量或振荡效率的度量。一个晶体单元的最大可达到的稳定性取决于Q的值。串联频率和并行频率之间的分离被称为带宽。带宽越小，Q值越高，电抗的斜率越陡。外部电路元件电抗的变化对高Q晶体的影响较小（可拉性较小）；因此，这样的部分更稳定。

美国晶体军事规范（MIL-C-3098）规定的等效电阻如下：

对于设计为串联谐振工作的晶体单元，等效电阻是在根据额定驱动水平调整并调整到指定晶体单元频率的指定晶体阻抗计中工作时的等效欧姆电阻

对于设计为平行或反共振操作的晶体单元，在根据额定驱动水平调整并调整到指定晶体单元频率的指定晶体阻抗计中工作时，设计的等效电阻是单元的等效欧姆电阻和指定负载值的串联负载电阻。

操作驱动水平是在晶体空白内部消耗的功率。这是非常重要的，要仔细地确定和选择一个驱动水平，符合可靠的启动和期望的性能的晶体一旦振荡。如果驱动电平过低（一般小于100微瓦），则可能不会开始振荡。然而，驱动电平过高（通常大于1毫瓦）会导致频率偏移、不良的长期频率老化和工作温度上的频率扰动。

晶体单元的工作特性随时间的推移而恶化。许多因素导致了这种恶化，如内部污染、过度的驱动水平、导线疲劳、摩擦磨损和晶体空白的表面侵蚀。制造工艺和石英坯料的清洁度可以大大减少污染老化。最快的老化发生在第一年。如果晶体的老化速率必须很低，晶体可以通过温度循环或高温老化进行预老化。

所有的石英晶体都有多种振动模式。伪模式指的是那些不需要的模式，如果响应与主模式一样强烈，则可能是一个问题。当振荡器在支路而不是主模式上运行时，频率输出就会改变。虚假模式应指定为与主模式的电阻比或dB抑制。1.5或1.0或1的电阻比足以避免模式跳变。A -3dB到-6dB是dB的近似等价。