石英晶体谐振器

历史

压电效应是由雅克·居里与皮埃尔·居里于1880年发现。保罗·朗之万在第一次世界大战期间首先探讨了石英谐振器在声纳上的应用。第一个由晶体控制的电子式振荡器，则是在1917年使用罗谢尔盐所作成，并于1918年由贝尔电话实验室的Alexander M. Nicholson取得专利，虽然与同时申请专利的Walter Guyton Cady曾有过争议。 
Cady于1921年制作了第一个石英晶体振荡器。对于石英晶体振荡器的其他早期创新有贡献的还有皮尔斯（G. W. Pierce）与Louis Essen。

工作原理

晶体是指其中的原子、分子、或离子以规则、重复的模式朝各方向延伸的一种固体。
晶体与几乎所有的弹性物质都具有自然共振频率，透过适当的传感器可加以利用。例如钢铁具有良好弹性、音速快，在石英晶体大量应用以前，钢铁被用作机械式滤波器。共振频率取决于晶体的尺寸、形状、弹性、与物质内的音速。高频用的晶体通常是切成简单的形状，如方形片状。典型的低频用晶体则常切成音叉形，例如手表所使用的。如不需要太高的精确度，则也可以使用陶瓷谐振器取代石英晶体谐振器。
运用石英晶体上的电极对一颗被适当切割并安置的石英晶体施以电场时，晶体会产生变形。这就是逆压电效应。当外加电场移除时，石英晶体会恢复原状并发出电场，因而在电极上产生电压。这样的特性造成石英晶体在电路中的行为，类似于某种电感器、电容器、与电阻器所组合成的RLC电路。组合中的电感电容谐振频率则反映了石英晶体的实体共振频率。
石英晶体的优点是在温度变化时，影响震荡频率的弹性系数与尺寸变化轻微，因而在频率特性上表现稳定。共振的特性还取决于振动模式与石英的切割角度（相对于晶轴而言），目前常用的是AT切割，它的振荡是厚度剪切（thickness shear）振荡模式。此外，在需要高精密度与稳定性的严格场合，石英晶体会放置于恒温箱（Crystal oven）与吸振容器内，以防止外部温度与震动的干扰。

共振模式

石英晶体提供了两种共振模式，由C₁与L₁构成的串联共振，与由C₀、C₁与L₁构成的并联共振。
对于一般的MHz级石英晶体而言，串联共振频率一般会比并联共振频率低若干KHz。频率在30 MHz以下的石英晶体，通常工作时的频率处于串联共振频率与并联共振频率之间，此时石英晶体呈现电感性阻抗。因为，外部电路上的电容会把电路的振荡频率拉低一些。在设计石英晶体振荡电路时，也应令电路上的杂散电容与外加电容合计値与晶体厂商使用的负载电容值相同，振荡频率才会准确符合厂商的规格。
频率在30 MHz以上（到200 MHz）的石英晶体，通常工作于串联共振模式，工作时的阻抗处于最低点，相当于Rₛ。此种晶体通常标示串联电阻（< 100 Ω）而非并联负载电容。为了达到高的振荡频率，石英晶体会振荡在它的一个谐波频率上，此谐波频率是基频的整数倍。因为偶数次谐波会使得晶体内电场互相抵消，只有奇数次谐波可以利用，例如3倍、5倍、与7倍的泛音晶体。要达到所要的振荡频率，振荡电路上会加入额外的电容器与电感器，以选择出所需的频率。

零件代号与电路符号

依据IEEE Std 315-1975与ANSI Y32.2-1975规范，石英晶体在电路图中属于Y类，零件编号应以Y开头，例如Y1, Y2等。但有时也会被标成X1, X2或XTAL；振荡器在电路图中属于G类，零件编号应以G开头，但实务上也会被标成XO或OSC等。建议仍应依照规范命名为宜。