在電子電路設計中，晶振的每一項參數都與產品命運息息相關——哪怕只差0.1ppm，也可能讓整板“翻車”。看似最基礎的術語，正是硬件工程師每天必須跨越的隱形門檻。

本文將從常規名詞切入，解析晶振材料、結構、電路等關鍵概念，讓“門檻”變成“墊腳石”。

由于內容較長 將分為上下兩篇文章解釋，本文是上篇，介紹內容有：

 

· 石英材料及頻率控制產品

· 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品

石英是一種具有壓電性的晶體（SiO?），廣泛應用于電子設備的頻率控制。其主要產品分為兩類：

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）在石英表面產生高頻振動。

(圖1)結晶石英材料

 

＞ 壓電性

在穩定狀態下，SiO?（二氧化硅）的電偶極子沿硅的六軸排列，整體呈電中性。當外加電場時：

沿偶極方向施加電場：硅側顯正電，氧側顯負電，感應電場平衡系統。

反向施加電場（硅側負電、氧側正電）：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。

當交變電場頻率與氧離子水平振動頻率一致時發生共振，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換。具體來說：

○ 當對石英晶體施加機械應力（如擠壓、拉伸或彎曲）時，其內部電荷會重新分布，在晶體表面產生電壓。

○ 反之，當對石英晶體施加電壓（或交變電場）時，晶體內部的原子會發生位移，導致晶體產生機械形變或振動。

正是利用這種“電-力”相互轉換的特性，我們才能讓石英晶體在電路中精確地振動，從而產生穩定的頻率信號。

 

(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。這是設計石英晶體器件的基本參數。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。這種百萬分之一(ppm)級頻率-溫度特性的穩定性是石英頻率器件的另一個優點，是LCR離散分量振蕩電路無法在大規模生產中實現的。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系。結果表明，AT切割石英在較寬的溫度范圍內具有良好的頻率穩定性，由于在這個溫度范圍內，頻率溫度曲線的一階和二階導數（即溫度系數的一階和二階分量）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。當工作在諧振頻段附近時，空載諧振器的電學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，對晶體諧振器和由晶體諧振器組成的振蕩器的主要電學特性進行如下描述。

(圖9)電容特性

C0:并聯電容

C1:動態電容

L1:動態電感

R1:動態電阻