石英晶体可以建模为串联LRC电路与并联电容器并联。图1显示了这个通用电路模型。

图1所示。通用晶体模型(基模)。

现在我们将详细查看每个关键性能规范。

共振频率

低于30MHz的晶体通常指定为基频;在30MHz以上，它们通常被指定为3(rd)， 5(th)，甚至7(th)泛音。(泛音只在奇数倍时出现。)因此，了解振荡器是在基频模式还是泛音模式下工作是很重要的。

泛音在概念上类似于谐波，除了晶体振荡泛音不是基频的精确整数倍。泛音选择是基于使用最低可能的泛音，这将导致晶体的基频低于30MHz。供应商在3(rd)泛音处校准3(rd)泛音晶体，而不是基频。大多数晶体供应商，例如，将自动给你一个3(rd)泛音50MHz晶体，如果你没有指定基本模式或泛音模式。如果您将50MHz, 3(rd)谐波晶体插入为基模晶体设计的振荡器电路中，您可能会有一个振荡器运行在50/3或16.666MHz!如果您不知道晶体的频率模式，请联系振荡器电路的设计者或制造商。

晶体供应商提供泛音晶体，因为石英材料随着频率的增加而变得越来越薄。15MHz至30MHz之间的晶体以基频或3(rd)泛音指定。从大约30MHz开始，石英变得非常薄，以至于在制造过程中很难处理，晶体供应商不喜欢处理薄石英。考虑到薄石英所涉及的额外制造工作，选择指定为泛音模式而不是基频模式的晶体可以显着降低成本。

最近在石英晶体加工中的一项发明是倒置台面晶体，它可以在更高的基模频率下制造出更薄的结构。倒台面晶体提供了两个显著的优点:它们可以使高频振荡器设计更简单;它们通过避免需要外部电感/电容器来从晶体中诱导适当的泛音振荡模式来减少元件数量。倒台面晶体的制造商可以指定远高于30MHz的基模晶体。但请注意，并非所有水晶供应商都能提供倒台面技术。请记住，泛音模式晶体不能用于基模振荡器，反之亦然。在这种情况下，泛音模式晶体可能振荡，但不是在正确的频率。

共振模式

晶体有两种共振模式，并联和串联，所有晶体都表现出两种共振模式。振荡器电路是针对一种模式或另一种模式进行校准的，而不是同时针对两种模式进行校准。对于要求频率精度不超过100ppm的应用，共振模式通常不是问题。但是，如果您试图将频率(或时间)控制在100ppm以内，则谐振模式规范就变得很重要。晶体供应商主要关心的是晶体在制造过程中采用哪种模式进行校准。知道了这些信息，晶体供应商然后用客户指定的串联谐振或并联谐振晶体建立振荡器电路，并校准晶体。图2显示了晶体阻抗随频率的变化，以及每个共振模式的相对位置。

图2。晶体阻抗与频率的关系。

负载电容

当采用并联谐振振荡模式时，负载电容是一个重要的指标。从图2可以看出，晶体并联谐振模式始终在串联谐振频率以上，并以电感抗为特征。在并联谐振振荡模式下，晶体的电感(动电感)与振荡器的负载电容并联，从而形成LC槽电路。这个LC决定振荡器的频率。如果你的振荡器使用并联谐振，晶体供应商必须知道振荡器电路所使用的负载电容。负载电容就是当晶体放置在振荡器电路中时，与晶体本身平行的外电路电容量。然后，晶体供应商将确保您的晶体在工厂使用相同的负载电容进行校准。供应商在负载电容方面是灵活的。询问他们你能指定的负载电容范围。你的振荡器应该落在晶体供应商可接受的负载电容范围内。

使用串联谐振晶体，您可以忽略负载电容规格。这是真的，因为晶体的运动电感和运动电容是唯一决定振荡频率的LC元件。

在图2中，当晶体模型的净电感分量与晶体内部支架电容发生共振时，就会发生反谐振。抗共振不用于振荡器设计。

串联电阻

串联电阻是与晶体本身LC模型串联的有效电阻分量(见图1)。振荡器电路可以容忍一定程度的串联电阻，但不能太大。大多数晶体的典型范围是25欧姆到100欧姆。晶体供应商通常对该电阻进行表征，并指定串联电阻的典型值或最大值。过多的晶体串联电阻可能导致振荡器启动失败，因此必须在振荡器设计中内置足够的余量。

上述准则的一个例外是32.768kHz腕表晶体，其中串联电阻可以在数十千欧姆。因此，对于这种应用，振荡器电路必须适应这种高串联电阻。解决此问题失败将导致32.768kHz振荡器不振荡。你不应该期望使用为10MHz晶体设计的振荡器和32.768kHz晶体。这是行不通的。

持有人电容

所有的晶体都有连接晶体和封装引脚的小电极。电极与晶体的LC模型并联形成并联电容，如图1所示。根据晶体的尺寸和封装，支架电容可能会有所不同。典型值范围从2pF到6pF。有些振荡器不能承受过大的保持器电容。这在较高的频率下尤其正确，因为支架电容的电抗减小了。确保晶体供应商的支架电容在您的振荡器的允许范围内。一般来说，尽量减小支架电容(越小越好)。

动情电感和电容

动情电感和电容规格由晶体供应商提供。它们描述了组成晶体电LC模型的L和C值。L与C的极端比值值得注意，因为它在工作频率下导致非常大的电感和电容电抗值。这些大的数值使晶体具有非常高的“品质因子”，也称为“Q”。(Q为存储的能量与耗散的能量之比，也定义为谐振频率处的电抗与串联电阻之比。)对于LRC电路，Q = 1/R * sq。沿(L / C)。(它的推导超出了本文的范围。)高Q值是理想的，因为高Q值意味着振荡器负载电容变化的频移较小，由于振荡器电源电压等其他外部因素引起的频移较小。根据您的应用，您的振荡器电路可能需要也可能不需要动情电感和电容的规格。

温度校准

石英晶体的频率随温度的变化而变化。频率变化的大小取决于石英从原始晶体切割的角度。随着频率公差的收紧，温度范围减小。AT切割晶体最常用的是它在很宽的温度范围内具有最高的稳定性。

开车水平

必须限制晶体中耗散的功率，否则石英晶体实际上可能由于过度的机械振动而失效。晶体的非线性特性也随驱动电平的变化而变化。分析振荡器设计以确定晶体中的功耗。功耗是晶体电流平方乘以晶体串联电阻的乘积。对于并联谐振振荡器，晶体电流等于负载电容上的均方根电压除以负载电容在振荡器频率处的电抗。对于串联谐振晶体，晶体电流是晶体上的均方根电压除以晶体内部串联电阻。晶体制造商将为特定产品线指定最大驱动电平。

摘要观察

随着晶体出现在更多使用微控制器、数字信号处理器和数据转换器的产品中，预计晶体的使用量将增加。晶体技术也在向前发展，产生了更好的性能和更低的成本。目前，可以通过采用锁相环(pll)的设备(如MAX9471/MAX9472)以低成本获得更高的频率，从最小5MHz石英晶体输入输出高达200MHz的信号。通过将光纤技术与MAX3610等锁相结合，从26.56MHz的晶体输入中获得212.5MHz的更高性能输出信号，抖动低至0.7ps(RMS)。

乍一看，晶体似乎是简单的元件，只需插入电路即可。然而，对实际电路模型的分析和对关键参数的理解揭示了它们的复杂性，并简化了将它们设计成下一个应用程序的过程。下面方便的晶体规格工作表将帮助您指定和订购石英晶体。