晶振行业必备术语手册：工程师必收藏(上)

在电子电路设计中，晶振的每一项参数都与产品命运息息相关——哪怕只差0.1ppm，也可能让整板“翻车”。看似最基础的术语，正是硬件工程师每天必须跨越的隐形门槛。

本文将从常规名词切入，解析晶振材料、结构、电路等关键概念，让“门槛”变成“垫脚石”。

由于内容较长 将分为上下两篇文章解释，本文是上篇，介绍内容有：

· 石英材料及频率控制产品

· 压电性

· 石英晶体切割类型

· 振动方式

· 频率-温度特性

· 晶体谐振器的等效电路

＞ 石英材料及频率控制产品

石英是一种具有压电性的晶体（SiO₂），广泛应用于电子设备的频率控制。其主要产品分为两类：

体声波器件：如晶体谐振器、晶体滤波器和时钟振荡器（如皮尔斯振荡器、压控振荡器等）。

表面声波器件：如声表面波（SAW）谐振器和滤波器，利用叉指换能器（IDT）在石英表面产生高频振动。

(图1)结晶石英材料

＞ 压电性

在稳定状态下，SiO₂（二氧化硅）的电偶极子沿硅的六轴排列，整体呈电中性。当外加电场时：

沿偶极方向施加电场：硅侧显正电，氧侧显负电，感应电场平衡系统。

反向施加电场（硅侧负电、氧侧正电）：氧离子相互靠近，其水平振动频率与垂直交变电场同步，振幅取决于电场与偶极子的夹角。

当交变电场频率与氧离子水平振动频率一致时发生共振，振幅取决于电场与偶极的夹角。三维器件中，电场由晶圆表面电极提供，偶极方向由切割角度决定。

压电性是石英晶体的一项重要物理特性，它描述了电能和机械能之间的相互转换。具体来说：

○ 当对石英晶体施加机械应力（如挤压、拉伸或弯曲）时，其内部电荷会重新分布，在晶体表面产生电压。

○ 反之，当对石英晶体施加电压（或交变电场）时，晶体内部的原子会发生位移，导致晶体产生机械形变或振动。

正是利用这种“电-力”相互转换的特性，我们才能让石英晶体在电路中精确地振动，从而产生稳定的频率信号。

(图2)SiO₂的一维压电简化

＞ 石英晶体切割类型

根据对石英棒切割角度的不同，有不同种类的石英板材，例如AT、BT、CT、DT、NT、GT切型板材。不同类型的石英板材，以一组欧拉角表示，具有不同的可用弹性、压电和介电性能。这是设计石英晶体器件的基本参数。最常用的石英切割类型如图3所示。

(图3)Z板石英晶体的取向角。

＞ 振动模式

石英晶体单元的振动类型分为弯曲振动，扩张振动，表面切变振动和厚度切变振动。通常使用的振动类型和切割方式的示意图列在表1中。基频和泛音可以在任何类型的谐振器中工作。基频和泛音可以在任何类型的谐振器中工作。最常用的是基频，但对于厚度型器件也常用泛音，如图4所示。）

(图4)振动模式和切割角度。

＞ 频率-温度特性

石英产品大多作为电路元件用于频率选择和/或频率控制，因此器件的频率-温度特性是最重要的参数。这种百万分之一(ppm)级频率-温度特性的稳定性是石英频率器件的另一个优点，是LCR离散分量振荡电路无法在大规模生产中实现的。对于常用的石英晶体切割，其频率-温度特性如图5所示。

(图5)各种石英切片的频率-温度特性。AT切型是石英器件中最受欢迎的MHz晶体切割。(图6)为+x轴俯视图AT切型方向。

(图6)AT平台定位

图7显示了AT晶体切角与频率温度特性的关系。结果表明，AT切割石英在较宽的温度范围内具有良好的频率稳定性，由于在这个温度范围内，频率温度曲线的一阶和二阶导数（即温度系数的一阶和二阶分量）都趋近于零，因此其频率变化主要由三阶函数控制。

△fs(i)=A1(Ti-25)3+A2(Ti-25)2+A3(Ti-25)+A4

(图7)AT-cut 频率-温度特性

＞ 晶体谐振器的等效电路

(图8)显示了金属型和陶瓷贴片型谐振器的简图及其符号。当工作在谐振频段附近时，空载谐振器的电学特性可以用巴特沃斯-范戴克(Butterworth-VanDyke,BVD等效电路近似表示，如图9所示。

A)金属柱型谐振器

B)陶瓷贴片d型谐振器

CL

C)象征水晶细针

利用图8所示的参数，对晶体谐振器和由晶体谐振器组成的振荡器的主要电学特性进行如下描述。

(图9)电容特性

C0:并联电容

C1:动态电容

L1:动态电感

R1:动态电阻