使用石英晶体谐振器的最明显的方法是以其基本频率操作它.然而,随着频率的增加,晶体坯料变得更薄,更脆弱.为了克服这个问题并延长oepration的频率,可以在泛音模式下操作晶体.

对于AT切割晶体,这些泛音模式几乎处于基波频率的泛音数倍.事实上,泛音的实际频率更接近等于串联模式基频乘以泛音数.

还应该记住,晶振也可以具有许多其他可以操作的操作模式.这些模式是不需要的,并且可以通过不同的电路激励到更小或更大的程度.特别是在非数字电路中使用晶体时应特别小心,因为不需要的模式可能会出乎意料地占主导地位.任何调整自然会抑制这些不需要的模式.

泛音晶体的主要应用是频率高于10MHz或更高.这里晶体通常以厚度剪切模式振动,晶体可以基本或奇数泛音激发.发现泛音晶体的运动电容C1n减小.它遵循近似定律,其中第n个泛音的电容是基波的电容除以泛音数的平方.

晶体平行和串联共振

石英晶体振荡器有两种工作模式可以从等效电路图中看出.

串联谐振:这是由电容器和电感器的串联连接形成的标准串联谐振条件.在谐振频率fs,电容和电感电抗抵消,阻抗下降到最小等于电路中的电阻,即R.

发现在该模式中,外部电路对晶体谐振的影响非常小.

并联谐振:石英晶体条件的并联谐振由电容器和电感器并联形成.在谐振时,该电路的阻抗上升到最大值.该模式的实际谐振频率fp,推导包括电感以及等效电路中的两个电容.

当在这种模式下工作时,可以看出由外部电路引入的任何电容也会产生影响.因此,这种“负载”电容构成了晶体工作规范的一部分-在规范中可以看到30pF,20pF等的负载值.有源晶体设计中的计算应该能够为晶体提供正确的负载电容.更改负载电容也可用于调整晶体的准确频率,以确保其处于完全正确的频率.通常可以添加小的可变微调电容器以确保提供正确的负载电容.

该模式有时被称为晶体的反谐振频率.其原因是电路的阻抗在谐振时达到峰值.

石英晶体谐振器可以在任一模式下工作,实际上并联和串联谐振频率之间的差异非常小.通常它们仅相差约1％.

石英晶体谐振器阻抗图

石英晶体谐振器阻抗特性

在这两种模式中,更常用的是并行模式,但也可以使用其中一种.使用不同模式的振荡器电路自然不同,因为当晶体达到其最大阻抗时振荡器振荡,而当晶体达到其最小阻抗时振荡器振荡.

水晶Q,品质因素

Q或品质因数是石英晶振共振的重要方面.晶体提供非常高的Q值,有时超过10万.

因此,必须能够计算Q的水平,以便能够确定其操作的电路的其他约束和设计考虑因素.

有一个简单的方程可以计算给定晶体的Q值.

由此可以看出,串联电容对Q具有主要影响.降低串联电容会使给定频率的Q成正比.

石英晶体谐振器是电气机械磁畴之间的复杂连接.虽然从理论上看,理论操作看起来很简单,但实际上许多效果共同起作用,它们可能以意想不到的方式联系起来.石英晶体谐振器在特定电路中被不同模式激发并因此在不正确的频率上工作并不是未知的.了解石英晶振的工作原理有助于在不太可能发生的情况下识别这些问题.通常在振荡器上增加一个宽谐振电路,以确保它只能在所需的模式下运行.