第三单元 系统组件 3.3 理解晶体指标

   石英晶体的形状和尺寸极多，性能指标范围也很宽。这些指标包括:谐振频率、谐振模式、负载电容、串联电阻、静电容、等效电感和电容以及驱动电平。理解这些参数的涵义以及它们和晶体性能之间的关系可以使你为自己的电路正确选定石英晶体。
       石英晶体可以看作是一个串联LRC电路和静电容的并联。图1是其电路模型。下面，让我们详细考察一下每个关键性能指标。
谐振频率
       30MHz以下的晶体往往工作在基音频率上，而超过30MHz的晶体一般工作在第3、第5甚至第7泛音频率上（泛音只出现在奇数倍上）。知道振荡器工作在“基音模式”还是在“泛音模式”是很重要的。泛音与谐波在概念上很相似，只是晶振的泛音不准确是基音的整数倍。选择泛音是基于使用尽可能低的泛音以使晶体基频在30MHz以下。生产商是在3次泛音上对3次泛音晶体进行校准，而不是在基音频率上校准。例如，如果你不指明是基音模式还是泛音模式，大多数晶体销售商会给你一块3次泛音50MHz晶体。假如把这块晶体用于需要基音模式晶体的振荡器，你很可能发现振荡器将工作在50/3或16.666MHz！假如不知道晶体的频率模式，请和振荡器电路的生产商或设计者联系。
       晶体生产商提供泛音晶体的原因是随着频率增加，晶体材料会越来越薄。从约30MHz开始，晶体已经薄到生产过程中难以处理，晶体生产商不愿意处理薄晶体。该领域中最近的创新之一是反向mesa晶体的发明。这种薄晶体可以生产出来，并可在更高的基音模式频率上。这项发明降低了高频振荡器设计的复杂度，减少了原件数量（不再需要外部电感/电容来引入正确的泛音模式）。不是所有晶体生产商都提供这项技术；而能提供这项技术的生产商可以提供频率远大于30MHz的基音晶体。需要记住：泛音晶体不能用于基音模式振荡器，反之亦然；否则，振荡器也可以振荡，但频率不正确。
谐振模式
       晶体的谐振模式有并联和串联两种。任何晶体都有这两种模式。振荡器只能调至这两种谐振模式之一。对于频率准确度不高于100ppm的应用，谐振模式无关紧要。然而，当你希望将频率控制在100ppm之内的话，谐振模式就变得重要了。不同生产商在生产晶体时调整的谐振模式是不同的。晶体生产商使用用户指定的串联或并联谐振模式的晶体构建振荡器电路，并调整晶体。图2是晶体的“阻抗—频率”特性曲线，显示了谐振模式出现的相对位置。
负载电容
       负载电容是并联谐振模式时的重要技术指标。由图2可以看出：并联谐振模式总是高于串联谐振频率，而且属于感性电抗。在并联谐振模式中，晶振的电感和振荡器的负载电容并联，从而形成一个LC并联电路。LC决定了振荡频率。如果采用并联谐振，晶振生产商必须知道振荡电路的负载电容。负载电容就是外部电路电容和晶体的并联值。晶体生产商将保证晶体在工厂校准时采用了相同的负载电容。生产商能提供灵活的负载电容；询问你能选定的负载电容范围。你的振荡器应当处于生产商提供的晶体负载电容范围之内。
       如果使用了串联谐振晶体，负载电容的指标可以忽略。因为等效电感和等效电容是确定振荡频率唯一的LC组件。
串联电阻
       串联电阻是等效阻性组件和晶体LC模型的串联（图1）。振荡电路可以允许一定的串联电阻，但是串联电阻太大就不行了。大多数晶体的典型范围在25~100欧姆之间。晶体生产商往往会给出这个电阻及其典型值或最大值。串联电阻过大会导致振荡器无法起振，所以设计时要留有足够的裕量。
       手表上32.768kHz晶体是个例外。其串联电阻值可能为几十千欧，振荡电路必须要设计成能容纳这么高的串联电阻。如果做不到这一点，32.768kHz的振荡器不会起振。不要指望把一个32.768kHz的晶体用在一个为10MHz晶体设计的振荡器之中；它不会工作的。静电容
       所有晶体都存在将晶体和外壳引脚连接的电极。这些电极和晶体的LC模型并联形成了静电容（见图1）。不同尺寸和封装的晶体具备的静电容不同。其典型值在2pF和6pF之间。有的振荡器不容许静电容过大。当静电容的电抗降低时尤为如此。确保晶体生产商的静电容在你振荡器的可允许范围之内。总的原则是将静电容最小化（越小越好）。
等效电感和电容
       电感和电容是由晶体生产商提供的指标。这二个指标描述的是晶体的LC电气模型中的L和C之值。值得一提的是L和C的极值比，在工作频率处会出现非常大的感性和容性电抗。因此，晶体具备极高的品质因素Q。（Q是储存能量和耗散能量之比，也是谐振频率点上电抗和串联电阻之比）。LRC电路的Q值等于1/R×L/C（公式推导不在本文范围之内）。人们期望高的Q值。高Q值意味着振荡器负载电容的变化或电源电压等外部因素的变化引发的频移小。也许你的应用所需的振荡器要知道等效电感和电容。
驱动电平
       晶体的能量消耗一定是有限的；机械振动过大会使晶体无法工作。由于非线性，晶体特性也会随着驱动电平变化。分析振荡器设计来确定晶体消耗的能量。消耗的能量是晶体电流平方乘以晶体的串联电阻。对于并联谐振振荡器，晶体电路等于负载电容两端RMS电压除以负载电容在振荡频率上的电抗。对于串联谐振晶体，晶体电流是晶体两端RMS电压除以晶体内部串联电阻。晶体生产商将指定特定产品的最大驱动电平。