石英晶体谐振器的工作原理石英晶体的操作取决于将机械共振与电气系统联系起来的压电效应。石英晶体谐振器或xtals的操作取决于压电效应和材料的尖锐机械共振.电信号从其电气形式转换为机械振动.正是这些振动受到石英晶体机械共振的影响,然后再连接回电气系统.与石英晶体相关的损耗非常低,这意味着选择性或Q质量因子非常高.

石英晶体谐振器的电路符号,xtal

压电效应
在研究石英晶体的工作原理时,首先需要了解压电效应的基础知识.
它是在许多材料中发生的,包括天然材料和合成材料.
压电效应发生在石英以及电子工业中使用的许多陶瓷材料以及许多有机物质中.正是由于这个原因,一些陶瓷谐振器是可用的,尽管它们的性能在用作谐振器方面不等于石英.
peizo-electric效应不仅用于谐振器,还可用于电子传感器-运动传感器,应力计,水晶麦克风等等.
当发生压电效应时,由于施加的机械应力,在某些固体材料中产生电荷.这种效应将晶体中的机械应力转换为电压,反之亦然,即应力可以在材料上产生电荷,或者在材料上放置电荷将导致产生应力.
石英晶体谐振器如何工作:基础知识
对于石英晶体的操作,发现压电效应将电脉冲转换成机械应力,该机械应力受到晶振的非常高的Q机械共振,并且这反过来又连接回电路.
石英晶体可以以几种不同的方式振动,这意味着它有几个共振-每个共振频率不同.
幸运的是,从原始晶体本身切割石英晶体坯料的方式可以非常显着地减少这种情况.事实上,面相对于原始晶轴的角度决定了它的振动方式,活动Q,温度系数的许多特性.
在研究石英晶体谐振器的工作原理时,可以看出晶体有三种主要振动方式:
纵向模式:在纵向模式下,晶体延伸和缩短.这导致中心随着晶体延伸而变薄并且随着其缩短而变厚.

石英晶体谐振器纵向振动

低频面剪切模式:对于在此模式下工作的晶体,晶体的整个矩形形状如下所示振动.

石英晶体谐振器低频剪切振动

高频剪切:高频剪切模式用于大多数工作在1MHz以上区域的石英晶体谐振器.

石英晶体谐振器高频剪切振动

从块状晶体切割晶体坯料的方式会影响晶体振动的方式.特别地,相对于块状谐振器的轴线切割的角度具有重大影响.有几个标准的“切割”,它们都有名称,这些都有已知和有用的性能参数.在传统的无线电和电子电路中发现的大多数晶体都使用称为AT切割的切口,这通常使用高频剪切模式振动.
为了分析石英晶体谐振器的电响应,将其描述为替换石英晶体谐振器所需的等效电气元件通常是有用的.然后可以使用该等效电路分析其响应并预测其性能,如下图所示:
下面给出的等效电路通常称为4参数晶体模型,它足以进行许多计算并说明晶体的操作.

石英晶体谐振器等效电路

可以将这些理论组成部分等同于贴片晶振的真实物理属性:
L:电感来自材料的质量.
C1:该电容源于晶体的顺应性.
R:这个因素来自系统的损失.其中最大的一个是由晶体机械振动的摩擦损失引起的.
Co:理论石英晶体等效电路中的该电容源自晶体元件的电极之间的电容.这经常被称为并联电容.
除了用于振荡器之外,石英晶体还可用于过滤器.在这里,它们提供了其他形式的过滤器无法实现的性能水平.通常可以在一个过滤器中使用几个石英晶振以提供正确的形状.

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