石英晶體諧振器和石英晶體的壓電效應

石英晶體諧振器基礎

石英晶體諧振器XTAL技術的運作依賴于石英的卓越性能。當放置到電子電路中時，石英晶體會充當調諧電路。但是，它具有很高的Q。如果精心設計和構造，普通的LC調諧電路可能會顯示數百個值，但石英晶體的顯示值可能會高達100000。除Q之外，晶體技術還具有許多其他優勢。它們在溫度和時間方面非常穩定。實際上，大多數晶體都會指定這些數字，并且對于老化，它們通常每年為±5 ppm（百萬分之一），在0至60°C的溫度范圍內，則為±30 ppm。

在操作中，石英晶體利用壓電效應將電信號轉換為機械振動。這些使晶體振動，然后晶體的機械共振作用于機械振動。壓電效應然后鏈接回電域，并且信號在受到機械共振影響后被轉換回去。總體效果是，石英晶體將非常高的Q機械共振與電域相關聯，從而能夠實現非常穩定且非常高的Q共振來影響電信號。

石英中的壓電效應

在電子元件中使用石英的主要原因是壓電效應。盡管石英具有許多其他特性吸引了許多珠寶首飾，但正是電學特性，尤其是壓電效應意味著石英在電子電路設計，尤其是許多RF設計中特別有用。作為電子元件，石英能夠作為諧振元件發揮出很高的性能。特別地，壓電效應通過在經受機械應力的晶體側面上出現電勢而顯現出來。類似地，當在晶體上放置電勢時，可以看到輕微的變形。

其原因是，用于不同材料的晶格以稍微不同的方式構建。對于任何晶體物質，晶格都是由大量重復的相同基本原子塊或單位晶胞組成的，它們以有序的方式排列。

在大多數晶格中，晶胞是對稱的，但對于壓電材料而言并非如此。對于壓電材料，晶體是電中性的，因為它們的電荷完全平衡：一個位置的正電荷會抵消附近的負電荷。

但是，如果壓電晶體變形，則這會將一些原子推到更近的位置，而另一些原子則可能彼此分開。這擾亂了正電荷和負電荷的平衡，并導致出現凈電荷。在晶體的整個結構中都會發生這種效應，從而在相對的外表面上產生凈正電荷和負電荷。

壓電效應實際上在兩個方向上起作用-如果晶體變形，則電勢會出現在表面上，類似地，如果在晶體兩端施加電勢，則它將變形。當用作石英無源晶體諧振器時，來自電路的電脈沖會轉換為機械振動，這些振動會出現在晶體本身上。這些振動受晶體的非常高的Q機械共振影響，然后效應再次反射回電域。

最終的結果是，可以使用很高的Q機械共振來有效地作用于電信號。 石英是一種非常特殊的材料。盡管許多晶體看起來非常漂亮，并且以珠寶的形式被起訴，但電氣方面也非常重要，可以制造和使用非常高Q的電諧振器。這些是其他任何模擬電子組件所不平等的。