原创 石英晶体振荡器原理

1、压电效应
压电效应简单来说是机械能与电能的互相转换。
顺压电效应：物质在沿一定方向上受到外力的作用变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。
逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。
2、石英晶体的压电效应：

上图是石英晶体的外形，它具有规则的几何形状。这是由于晶体内部结构对称性的缘故。石英晶体有3个晶轴，其中Z轴是用光学方法确定的。Z方向上没有压电效应；经过晶体的棱线，并垂直于光轴的X轴称电轴；沿X轴方向施加外力时，在垂直于此轴的棱面上压电效应最为明显；垂直于X-Z平面的Y轴为机械轴。沿Y与X方向施加机械应力（拉或压）时，在Y方向不产生压电效应，只产生形变。
为直观起见，将石英沿Z方向投影，压电效应机理如下图

a、当未受到力作用时，正负离子（硅与氧）正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等、互成120度的电偶矩P1，P2，P3。P=ql,q为电荷量,l为正负电荷之间距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零。这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上是呈电中性的。
b、当石英晶体受到沿X方向的压力作用时，晶体沿X方向产生压缩变形，正负离子的相对位置随之变动，正负电荷中心不再重合，电偶极矩在X轴方向的分量为（P1+P2+P3）>0,在X轴在正方向的晶体表面上出现正电荷。其它轴为0。称为“纵向压电效应”。
c、当石英晶体受到没Y方向作用的压力作用时，电偶极矩在X方向的分量小于0,晶体表面正电荷，其它方向为0。称为“横向压电效应”。
3、石英晶体压电常数和表面电荷的计算
从石英晶体上切下平行六面体----晶体切片，使它的晶面分别平行于X,Y,Z轴。当晶体受到X方向压缩应力T1（N/m2）作用时，晶片将产生厚度变形，在垂直于X方向上产生的电荷密度与应力成正比，即：


3、石英振荡器原理
   若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现
象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振
动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶
体又称为石英晶体谐振器。
4、石英晶体等效电路和谐振频率
    

当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0,称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积，一般为几到几十皮法。当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感L,其值为几毫亨到几十亨。晶片的弹性等效为电容C，其值仅为0.01到01pf，因此C《C0.晶片的摩擦损耗等效为电阻R，其值约为100欧，理想情况下R=0。
当等效电路中的L,R,C支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，等效电阻为R，谐振频率为