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在電子電路設(shè)計中，晶振的每一項參數(shù)都與產(chǎn)品命運息息相關(guān)——哪怕只差0.1ppm，也可能讓整板“翻車”。看似最基礎(chǔ)的術(shù)語，正是硬件工程師每天必須跨越的隱形門檻。
本文將從常規(guī)名詞切入，解析晶振材料、結(jié)構(gòu)、電路等關(guān)鍵概念，讓“門檻”變成“墊腳石”。
由于內(nèi)容較長 將分為上下兩篇文章解釋，本文是上篇，介紹內(nèi)容有：
· 石英材料及頻率控制產(chǎn)品
· 壓電性
· 石英晶體切割類型
· 振動方式
· 頻率-溫度特性
· 晶體諧振器的等效電路
＞ 石英材料及頻率控制產(chǎn)品
石英是一種具有壓電性的晶體（SiO?），廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的頻率控制。其主要產(chǎn)品分為兩類：
體聲波器件：如晶體諧振器、晶體濾波器和時鐘振蕩器（如皮爾斯振蕩器、壓控振蕩器等）。
表面聲波器件：如聲表面波（SAW）諧振器和濾波器，利用叉指換能器（IDT）在石英表面產(chǎn)生高頻振動。
晶石英材料.png)
(圖1)結(jié)晶石英材料
＞ 壓電性
在穩(wěn)定狀態(tài)下，SiO?（二氧化硅）的電偶極子沿硅的六軸排列，整體呈電中性。當(dāng)外加電場時：
沿偶極方向施加電場：硅側(cè)顯正電，氧側(cè)顯負電，感應(yīng)電場平衡系統(tǒng)。
反向施加電場（硅側(cè)負電、氧側(cè)正電）：氧離子相互靠近，其水平振動頻率與垂直交變電場同步，振幅取決于電場與偶極子的夾角。
當(dāng)交變電場頻率與氧離子水平振動頻率一致時發(fā)生共振，振幅取決于電場與偶極的夾角。三維器件中，電場由晶圓表面電極提供，偶極方向由切割角度決定。
壓電性是石英晶體的一項重要物理特性，它描述了電能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)換。具體來說：
○ 當(dāng)對石英晶體施加機械應(yīng)力（如擠壓、拉伸或彎曲）時，其內(nèi)部電荷會重新分布，在晶體表面產(chǎn)生電壓。
○ 反之，當(dāng)對石英晶體施加電壓（或交變電場）時，晶體內(nèi)部的原子會發(fā)生位移，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生機械形變或振動。
正是利用這種“電-力”相互轉(zhuǎn)換的特性，我們才能讓石英晶體在電路中精確地振動，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號。
(圖2)SiO?的一維壓電簡化
＞ 石英晶體切割類型
根據(jù)對石英棒切割角度的不同，有不同種類的石英板材，例如AT、BT、CT、DT、NT、GT切型板材。不同類型的石英板材，以一組歐拉角表示，具有不同的可用彈性、壓電和介電性能。這是設(shè)計石英晶體器件的基本參數(shù)。最常用的石英切割類型如圖3所示。
(圖3)Z板石英晶體的取向角。
＞ 振動模式
石英晶體單元的振動類型分為彎曲振動，擴張振動，表面切變振動和厚度切變振動。通常使用的振動類型和切割方式的示意圖列在表1中。基頻和泛音可以在任何類型的諧振器中工作。基頻和泛音可以在任何類型的諧振器中工作。最常用的是基頻，但對于厚度型器件也常用泛音，如圖4所示。）
(圖4)振動模式和切割角度。
＞ 頻率-溫度特性
石英產(chǎn)品大多作為電路元件用于頻率選擇和/或頻率控制，因此器件的頻率-溫度特性是最重要的參數(shù)。這種百萬分之一(ppm)級頻率-溫度特性的穩(wěn)定性是石英頻率器件的另一個優(yōu)點，是LCR離散分量振蕩電路無法在大規(guī)模生產(chǎn)中實現(xiàn)的。對于常用的石英晶體切割，其頻率-溫度特性如圖5所示。
(圖5)各種石英切片的頻率-溫度特性。AT切型是石英器件中最受歡迎的MHz晶體切割。(圖6)為+x軸俯視圖AT切型方向。
(圖6)AT平臺定位
圖7顯示了AT晶體切角與頻率溫度特性的關(guān)系。結(jié)果表明，AT切割石英在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的頻率穩(wěn)定性，由于在這個溫度范圍內(nèi)，頻率溫度曲線的一階和二階導(dǎo)數(shù)（即溫度系數(shù)的一階和二階分量）都趨近于零，因此其頻率變化主要由三階函數(shù)控制。
△fs(i)=A1(Ti-25)3+A2(Ti-25)2+A3(Ti-25)+A4
(圖7)AT-cut 頻率-溫度特性
＞ 晶體諧振器的等效電路
(圖8)顯示了金屬型和陶瓷貼片型諧振器的簡圖及其符號。當(dāng)工作在諧振頻段附近時，空載諧振器的電學(xué)特性可以用巴特沃斯-范戴克(Butterworth-VanDyke,BVD等效電路近似表示，如圖9所示。
A)金屬柱型諧振器
B)陶瓷貼片d型諧振器
 CL
C)象征水晶細針
利用圖8所示的參數(shù)，對晶體諧振器和由晶體諧振器組成的振蕩器的主要電學(xué)特性進行如下描述。
(圖9)電容特性
C0:并聯(lián)電容
C1:動態(tài)電容
L1:動態(tài)電感
R1:動態(tài)電阻
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