體波石英晶體元件

體波石英晶體元件構成的振盪電路和壓控振盪電路諧振元素具有卓越的長期和短期頻率穩定度。最早使用體波石英晶體來控制振盪電路頻率的歷史可以追溯到1919年，當時，衛斯理大學（wesleyan university）的w.g.cady教授首先使用了一片石英晶體來控制振盪器的輸出頻率。除了看似簡單的電路結構外，振盪放大器的非線性行為和非線性石英晶體元件一直是人們積極研究和開發的主題。 振盪器設計過程的一個因素是振盪電路組成中體波石英晶體元件的功率消耗。在振盪器中，作為工作點函式的這種功率消耗差別非常大。功率消耗非常低的體波石英晶體元件可能產生反常的非線性行為，並頻繁導致振盪器啟動，或者功耗比較大時而表現出的不同頻率溫度行為。

體波石英晶體元件功率消耗

體波石英晶體元件過多的功率消耗可能增加不必要的電路功率，加速器件老化，甚至使某些特殊的石英晶體元件發生失效。本文將為石英晶體元件和振盪器設計提供足夠的背景知識，使設計工程師可以估算體波石英晶體元件的功耗和理解使振盪器中石英晶體功耗維持在一定範圍內的方法。 　巴特沃斯 van-dyke模型 　體波石英晶體元件的基本諧振原理可以使用巴特沃斯vab-dyke模型建模，該模型中r1、l1和c1組成諧振支路，可以等效石英晶體的壓電特性。c0代表石英晶體諧振子兩個電極之間的電容和封裝引腳x1與x2之間的封裝電容。c0的值可以通過在晶體封裝引腳之間增加板級電容而增加。

皮爾斯振盪電路

如果皮爾斯拓撲結構的非線性增益大於某個最小值，而且非線性延時提供了滿足接近石英晶體單元串聯諧振頻率相移條件的足夠相移，它就可以很好地使振盪頻率接近石英晶體串聯諧振頻率而使振盪器進入穩態。如果振盪能夠滿足這些條件，當放大器延遲改變時，輸入/輸出放大器的波形幅值包跡將隨著時間增加，直到穩態振盪條件得到滿足。在許多情況下，當峰峰值輸出幅值達到供電電壓和地之間的差值時，放大器增益就可以達到一個基本不變的穩態值。 　在振盪的穩態，振盪器的功率消耗可以通過計算石英晶體元件輸出波形的有效值（rms），以及振盪頻率下的石英晶體阻抗來獲得。通常，如果振盪器的振盪頻率相對串列諧振頻率是已知的，而且在振盪頻率下的振盪器波形幅度有效值也是已知的，諧振器的功率消耗就可以計算出來。

石英晶體元件模型

一個25mhz at方向切片的石英晶體引腳x1和x2之間的實際和等效器件（等效電容等）。在振盪支路中，當振盪頻率遠低於或高於串聯諧振頻率，其阻抗被電極電容c0所控制。當振盪頻率接近振盪支路串聯諧振頻率時，阻抗由振盪支路的諧振特性所支配。當振盪頻率非常接近串聯諧振頻率時，實際器件的阻抗大約等於電阻r1，等效器件的阻抗大約是0。 　振盪電路中的石英晶體 　在普通皮爾斯振盪電路（pierce circuit）中，石英晶體振盪器拓撲結構的頻率主要由石英晶體決定，在穩態時，其振盪頻率大約等於石英晶體元件的串聯諧振頻率，開環增益和開環相位是一致的，分別是2π的整倍數。

體波石英晶體元件結論

如果計算振盪放大器中石英晶體的功率消耗，必須知道放大器的穩態、信號幅值和輸入電容等參數，這樣才能確定石英晶體元件阻抗特性中的合適工作點。很明顯，為了降低石英晶體元件的功率消耗，振盪器的工作頻率不能在石英晶體的串聯諧振頻率上。放大器的輸入電容必須低於石英晶體元件的高輸入電抗。 　在石英晶體的功率消耗是非常重要的參數套用中，振盪放大器的輸入阻抗和石英晶體的端電壓的選擇必須滿足振盪器功率消耗約束的範圍。