晶体振荡器为什么怕振动

将石英晶体切成薄片进行封装构成高Q值谐振器应该是上世纪时频领域最伟大的发明；石英谐振器将人类计时从昂贵的笨重的机械计时进入廉价的小巧的石英计时；以往，贫穷的人们是与精准时间无缘的，昂贵的怀表是穷人远望而不可及的奢望，精准的计时是富人的专有权利。然而，自从石英进入计时领域后，廉价的石英电子表大量进入市场，这些电子表的精度甚至还高于原来的怀表，使用时间长，也无需经常上发条，各方面都碾压机械表。如今的机械表只能打颜值风，彻底演变成了一个装饰品。

晶体振荡器的基本原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十毫亨到几百毫亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

为什么对振动敏感

在石英晶体的压电振荡过程中，存在机械振动；石英晶体相当于一个质量块；早期的统一认识为外界振动会使得质量块在原有谐振频率的基础上叠加上外界的振动，但如果石英晶体在振动下本身无任何变化，其谐振频率应该仍然保持不变；就像秋千，无论重力大小方向改变，其谐振频率是不变的；因此如果石英晶体在外界环境振动下仍能保持自身的完好性，其谐振频率不应发生变化；

另一种可能性是在有外界振动时，晶体发生了形变，发生形变后的晶体谐振频率自然发生改变；设晶体本身的谐振频率为f0，振动有正负最大位移处，设最大正位移形变后晶振谐振频率为f0+fa，最大负位移形变后晶振谐振频率为f0-fa， 振动频率为fs；则在振动过程中，谐振频率以fs的频率在f0-fa和f0+fa之间摆动；

在振动情况下，晶体的形变产生包括两部分：一部分为晶体自身的线性形变，比如晶体在加速度情况下自身的长度厚度变化；另一部分由于晶体有支撑点部分，在加速度情况下由支撑点对晶体进行力的传递，由于晶体自身的重量会产生一种不均匀的非线性形变；这两种形变最终造成晶体总体的形变，总体的形变则对应另一个谐振频率。 

晶振振动后的表现

由此分析，晶体振荡器在振动条件下，其谐振频率随外界振动加速度而发生变化，这种变化表现为振动加速度的变化对振荡器输出信号进行相位调制，其调制的幅度由加速度灵敏度和振动量级决定。当给晶体振荡器施加fs的正弦振动时，则在频谱上输出频率f0两侧出现f0+fs和f0-fs两个谐波，谐波的幅值与晶体振荡器的加速度敏感系数和振动量级有关。

当晶振被施加随机振动时，振动对应的频率部分的相位噪声恶化，恶化程度与振动强度相关。