石英晶體諧振器, 簡(jiǎn)稱石英晶體, 具有非常穩(wěn)定的固有頻率。 對(duì)于振蕩頻率的穩(wěn)定性要求高的電路, 應(yīng)選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡(luò)。
一、石英晶體的特點(diǎn)
將二氧化硅（SiO2）結(jié)晶體按一定的方向切割成很薄的晶片, 再將晶片兩個(gè)對(duì)應(yīng)的表面拋光和涂敷銀層, 并作為兩個(gè)極引出管腳, 加以封裝, 就構(gòu)成石英晶體諧振器。 其結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如右圖所示。

1.壓電效應(yīng)和壓電振蕩
在石英晶體兩個(gè)管腳加交變電場(chǎng)時(shí), 它將會(huì)產(chǎn)有利于一定頻率的機(jī)械變形, 而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng), 上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 一般情況下, 無(wú)論是機(jī)械振動(dòng)的振幅, 還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。 但是, 當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率為某一特定值時(shí), 振幅驟然增大, 產(chǎn)生共振, 稱之為壓電振蕩。 這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率, 也稱諧振頻率。
2.石英晶體的等效電路和振蕩頻率
石英晶體的等效電路如下圖（a）所示。 當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí), 可等效為一個(gè)平板電容C0, 稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積, 一般約為幾到幾十皮法。 當(dāng)晶片產(chǎn)生振動(dòng)時(shí), 機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感L, 其值為幾毫亨。 晶片的彈性等效為電容C, 其值僅為0.01到0.1pF, 因此, C<0。 晶片的磨擦損耗等效為電阻R, 其值約為100Ω, 理想情況下R=0。

當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖、C、R支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí), 該支路呈純阻性, 等效電阻為R, 諧振頻率

諧振頻率下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電抗等于R并聯(lián)C0的容抗, 因R<<ω0C0, 故可近似認(rèn)為石英晶體也呈純阻性, 等效電阻為R。
當(dāng)f<fs時(shí), C0和C電抗較大, 起主導(dǎo)作用, 石英晶體呈容性。
當(dāng)f>fs時(shí), L、C、R支路呈感性, 將與C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振, 石英晶體又呈純阻性, 諧振頻率

由于C<0, 所以fP≈fS。
當(dāng)f>fP時(shí), 電抗主要決定于C0, 石英晶體又呈容性。 因此, 石英晶體電抗的頻率特性如上圖所示, 只有在fs<f<fP的情況下, 石英晶體才呈現(xiàn)感性；并且C0和C的容量相差愈懸殊, fs和fP愈接近, 石英晶體呈感性的頻帶愈狹。
根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的表達(dá)式

由于C和R的數(shù)值都很小, L數(shù)值很大, 所以Q值高達(dá)104~106。 頻率穩(wěn)定度Δf/f0可達(dá)10-6~10-8, 采用穩(wěn)頻措施后可達(dá)10-10~10-11。 而LC振蕩器的Q值只能達(dá)到幾百, 頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10-5。
二、石英晶體正弦波振蕩電路
1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路
如果用石英晶體取代LC振蕩電路中的電感, 就得到并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路, 如左下圖所示, 電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。


2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路
如右上圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。 電容Cb為旁路電容, 對(duì)交流信號(hào)可視為短路。 電路的第一級(jí)為共基放大電路, 第二級(jí)為共集放大電路。 若斷開(kāi)反饋, 給放大電路加輸入電壓是, 極性上“+”下“-”；則T1管集電極動(dòng)態(tài)電位為“+”, T2管的發(fā)射極動(dòng)態(tài)電位也為“+”。 只有在石英晶體呈純阻性, 即產(chǎn)生串聯(lián)諧振時(shí), 反饋電壓才與輸入電壓同相, 電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。 所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fS。 調(diào)整Rf的阻值, 可使電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。