晶体单元

1. 振动模式和方向角

关于AT切割的振动模式，图1显示了室温附近的频率温度特性的一次系数达到零时的方位角

图1 Z板人造晶体的取向角

厚度剪切振动模态如图2所示。

图2厚度剪切振动

一般使用的AT切割晶体，其频率范围及频率系数（晶体片厚度与振荡频率的关系）如表1所示。

表1 方位角与频率关系

2. 频率-温度特性

晶体的频率-温度特性根据其曲线形状分为两种类型。一种是三次曲线，另一种是二次曲线。AT切割的典型频率-温度特性分别如图3和图4所示。AT切割晶体单元应用最为广泛，因为它们在室温范围内对温度变化的反应频率变化较小。

图3 AT截止频率稳定性示例

3. 等效电路及各种常数

石英晶体在谐振频率附近的等效电路如图5所示。
R1:串联电阻
L1：运动电感
C1：运动电容
C0：分流电容

图5 石英晶体的等效电路

图6显示了晶体单元在其振荡频率附近的导纳轨迹图和晶体单元的等效电路。该图表和图形显示了各种电路条件下的等效电路配置以及振荡频率与电阻之间的关系等。在这里，我们可以发现各种常数之间存在以下关系

图6 导纳轨迹图

石英晶体振荡电路

1. 典型振荡电路（基本振荡模式）

典型的振荡电路图如图7所示。

图7 基振模式下典型振荡电路

当振荡模式处于稳定状态时，晶体单元抗Xe，电路电抗-X，晶体阻抗Re和电路阻抗-R之间的关系如下：

稳定状态下的简化振荡电路如图8所示。

图8 并联谐振振荡电路的等效振荡电路

为了获得电路的安全振荡，电路的负电阻必须满足以下公式：-R | > Re。
以图7电路为例，该电路的负阻如下图所示：

这里，
gm = 振荡阶段晶体管的互导
ω( = 2π / f ) = 振荡角频率

2.负载电容与振荡频率

鉴于
串联谐振频率= fr
等效串联电容 = C1

并联电容 = C0
谐振频率（负载电容CL时） = fL
和 fL - fr = deltaf
然后

推导出上述方程。
负载电容可以看作是C01的串联电容，
C02和C03+CV，如图7所示，包括晶体管和电路图案的杂散电容。
因此，负载电容CL由下式给出。

振荡电路的负载电容从 CL1 变为 CL2 时的频率变化范围，即“牵引范围”，表示为，

如果给定等效串联电容 C1、并联电容 C0 以及上述 CL1 和 CL2，则可从上式中得出频率变化范围。“拉动灵敏度”，即元件在负载电容 (CL) 附近的灵敏度，由下式给出。

谐振频率与负载电容特性如图9所示。计算上述公式（3）、（5）、（6）的结果
在给定条件下：C1 = 16fF、C0 = 3.5pF、CL = 30pF、CL1 = 27pF 和 CL2 = 33pF。

图 9 频率与负载电容

利用这一现象，通过调节可变微调电容器来抵消由于晶体单元的生产偏差和振荡电路中元件的偏差而引起的偏差，可以将振荡电路的输出频率调整到标称频率。
虽然公式（6）中负载电容（CL）的减小会增加器件灵敏度，但相反也会降低稳定性。
请注意，负载电容的减少会增加启动振荡的难度，因为晶体单元的有效电阻会增加，如等式（7）所示。

3、晶振的驱动电平

为了保证晶振稳定振荡，必须施加一定的驱动功率，图13显示了频率随驱动功率的变化情况，驱动功率越大，频率偏移量越大。

对晶体单元施加较高的驱动功率（约 50mW）会对其造成损坏。在正常振荡电路中使用时，
优选的驱动功率为0.1mW或更低（最大0.5mW）。

4.设计PCB图案时必须考虑以下几点。

为了使振荡环路的杂散电容保持最小，从振荡级到晶体单元图案长度应最短。
当在振荡环路上放置其他元件和接线图时，应将杂散电容的增加保持在最小值。