石英晶体又叫石英晶体谐振器，简称晶振，是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件。随着制作工艺的提高和制作成本的降低，目前石英晶体已被广泛应用于军事电子设备、有线和无线通信设备、广播和电视的发射与接收设备、数字仪表及钟表等。
石英晶体是利用具有压电效应的石英晶体片制成的器件。石英晶体片是一种各向异性的结晶体，从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片（可以是正方形、矩形或圆形等），然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板作为电极，就构成石英晶体谐振器，如图1所示。
石英晶体（crystal）是自然界存在的石英材料，也可以人工制造，目前晶振使用的石英晶体基本上都是人造石英晶体。石英晶体具有的压电效应被人们用其来做频率基准（将石英晶体作为振荡回路组件，组成晶体振荡器，产生时钟信号基频的器件）。
在电路中，利用晶体片受到外加交变电场的作用，产生机械振动的特性，如果交变电场的频率与芯片的固有频率一致时，振动会变得很强烈，这就是晶体的谐振特性。由于石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此在要求频率十分稳定的振荡电路中，常用它作谐振组件。
用石英晶体作振荡器时，通常要结合具体的振荡电路（如克拉波、考皮兹等）完成一个完整的振荡功能，那么这个完整的振荡电路就是有源电路，而其中所用的一块晶体就是无源晶体； 如果把完整的带晶体的振荡电路（或者再加点其他控制功能电路）集成在一起，封装好，引出几个引脚（通常为四个引脚，贴片式封装）出来，这就是所谓的有源晶振，英文叫Oscillator。而石英晶体的英文名称则是Crystal，晶体要和分立的阻容元件协同工作才能产生振荡信号。我们经常使用的2引脚或者3引脚的晶振即是这种晶体。有源晶振是晶体经过深加工的产品，而石英晶体是原材料。
晶振元件按封装材料分为金属壳、玻壳、胶木壳和塑封等几种。按频率稳定度分，有普通型和高精度型。按用途分，有彩电用、对讲机用、手表用、电台用、录像机用、影碟机用、摄像机用等等，其实这主要是工作频率及体积大小上的分类，其他性能差别不大，只要频率和体积符合要求，其中很多晶振元件是可以互换使用的。常见晶振元件外形如图2所示。
石英晶体的工作原理
石英晶体所以能作谐振器是基于它的“压电效应”，从物理学中已知，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压。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，但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谐振频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，晶体振动幅度达到最大，同时由于压电效应产生的交变电压也达到最大，这种现象称为“压电谐振”。
石英晶体的等效电路
石英晶体谐振器的压电谐振现象可以用图3所示的等效电路来模拟，等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容，L和C分别模拟晶体的质量（代表惯性）和弹性，而晶片振动时，因摩擦而造成的损耗则用电阻R1来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值（等效于L/C），因而它的品质因数Q高达10000～500000。图3表示石英晶体的电路符号、等效电路和电抗特性。
石英晶体具有串联和并联两种谐振现象，构成振荡电路的形式尽管多种多样，但其基本电路只有两类，即并联晶体振荡器和串联晶体振荡器，前者石英晶体是以并联谐振的形式出现，而后者则是以串联谐振的形式出现。由石英谐振器组成的振荡器，其最大特点是频率稳定度极高。
石英晶体（晶振）的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件，在工作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致。一般来讲，晶振有低负载电容型（串联谐振晶体，常用的有JA18A、JA18E、JA24A、B0002CE等型号）；高负载电容型（并联谐振晶体），常用的有JA18B、KSS6CT、B0031CE等型号。晶振串一只电容跨接在集成电路两只脚上的，则为串联谐振型；一只脚接集成电路，一只脚接地的，则为并联型。如确实没有原型号，需要代用的可采取串联谐振型电路上的电容再并一个电容（通常为3300pF的瓷片电容），并联谐振电路上串一只电容（通常为70pF的微调电容）的措施。
石英晶体（晶振）在电路图中通常用字母“X”或“Y”或“G”或“Z”表示，如“Y1”表示编号为“1”的晶振。
石英晶体的型号命名方法
国产石英晶体的型号由三部分组成： 第一部分表示外壳形状和材料，如B表示玻璃壳，J表示金属壳，S表示塑封型；第二部分表示晶片切型，常与切型符号的第一个字母相同，如：A表示AT切型、B表示BT切型，等等；第三部分表示主要性能及外形尺寸等，一般用数字表示，也有最后再加英文字母的。如JA5为金属壳AT切型晶振元件，BA3为玻壳AT切型晶振元件。从型号上无法知道晶振元件的主要电特性，需查产品手册或相关资料才行。各部分的含义见表1。
石英晶体的主要参数
⑴标称频率f\(_{O}\)： 在规定的负载电容下晶振元件的振荡频率即为标称频率f\(_{O}\)。标称频率是晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。需要注意的是，晶体外壳所标注的频率，既不是串联谐振频率也不是并联谐振频率，而是在外接负载电容时测定的频率，数值界于串联谐振频率与并联谐振频率之间。所以即使两个晶体外壳所标注的频率一样，其实际频率也会有些偏差（工艺引起的离散性）。
⑵调整频差： 在规定条件下，基准温度（25±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。
⑶温度频差： 温度频差是指在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25±2℃）时工作频率的允许偏差。
⑷老化率： 老化率是指在规定条件下，允许的晶体工作频率随时间的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。
⑸静电容： 静电容是等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示（如图3所示）。
⑹负载电容：晶振元件相当于电感，组成振荡电路时需配接外部电容，此电容即负载电容。负载电容是与晶体一起决定负载谐振频率f\(_{L}\)的有效外界电容，通常用C\(_{L}\)表示。设计电路时必须按产品手册中规定的C\(_{L}\)值，才能使振荡频率符合晶振的f\(_{L}\)。我们在应用晶体时，负载电容（C\(_{L}\)）的值是直接由厂家提供的，我们无需再去计算。常见的负载电容为8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、100pF。只要可能就应选10pF、20pF、30pF、50pF、100pF这样的推荐值。
⑺负载谐振频率（f\(_{L}\)）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。
⑻动态电阻： 串联谐振频率下的等效电阻，用R1表示，如图3所示。
⑼负载谐振电阻： 在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用R\(_{L}\)表示。通常情况下，R\(_{L}\)=R1（1+C0/C\(_{L}\)）/2。
⑽激励电平：激励电平（功率）是指晶振工作时消耗的有效功率。在振荡回路中，激励电平应大小适中，既不能过激励（容易振到高次谐波上），也不能欠激励（不容易起振）。常见的激励电平有： 2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等。选择晶体时至少应考虑负载谐振频率、负载电容、激励电平、温度频差、长期稳定性等参数。
石英晶体的应用电路
1.内部晶体振荡器电路
有些集成电路（如单片机）中已经集成有振荡电路，只需要外加一个晶振即可。石英晶体与集成电路搭配时，通常是连接到集成电路的振荡端（OSC1/CLKIN或OSC2/CLKOUT），以建立振荡，如图4所示。
C1是相位调节电容，C2是增益调节电容。对于32kHz以上的晶体振荡器，当V\(_{DD}\)>4.5V时，建议C1=C2≈30pF。由于每一种晶振都有各自的特性，所以C1、C2最好按制造厂商所提供的数值选择，在许可范围内，C1、C2的值越低越好，电容值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。对于有些电压低于4.5V的电路，应使C2值稍大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。
电阻R8常用来防止晶振被过激励。过激励晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电阻，这将引起频率的上升。此时可用示波器检测OSC输出脚，如果检测到一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过激励；相反，如果正弦波形的波峰、波谷两端被削平，使波形成为方形，则晶振被过激励。这时就需要用电阻R8来防止晶振被过分驱动。判断电阻R8值大小的最简单的方法就是串联一个5kΩ或10kΩ的微调电阻，从0Ω开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的R8电阻值。
2.外部晶体振荡器电路
从石英晶体的电抗频率特性可知，它有两个相当接近的谐振频率，一个串联谐振频率，一个并联谐振频率，当石英晶体处于串联谐振时电抗最小，当处于并联谐振时电抗最大；当处于这两个频率范围之间时，石英晶体呈电感性，当游离这两个频率之外时，石英晶体呈容性。
（1）串联谐振电路
图5是工作于串联谐振状态的TTL门电路振荡器，在串联谐振电路中，晶体可以等效成LC串联电路。当电路频率为串联谐振频率时，晶体的等效电抗接近零（发生串联谐振），串联谐振频率信号最容易通过N1、N2闭环回路，这个频率信号通过两级反相后形成反馈振荡，晶体同时也担任着选频作用。也就是说在工作于串联谐振状态的振荡电路，它的频率取决于晶体本身具有的频率参数。
反相器N3用来提供振荡器所需的180°相移， R3、R4（470Ω）的电阻用来提供负反馈，同时提供晶振的偏置电压。
（2）并联谐振电路
图6是工作于并联谐振状态的CMOS门电路振荡器，晶体等效为一个电感（晶体工作于串联谐振频率与并联谐振频率之间时，晶体呈电感性）与外接的电容构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调。
电阻R接在反相器N3的输入与输出端，其目的是将N3偏置在线性放大区，构成放大器。从晶体X的两端看C1、C2是通过GND串联成一个电容（这个串联电容C\(_{X}\)可以由公式C\(_{X}\)≈C1C2/（C1+C2）求出，C\(_{X}\)不仅是C1和C2的串联值，还有晶体内部电容C0要串进去，这个C0要比C1和C2小很多，所以C\(_{X}\)近似等于C0，所以C1和C2对谐振频率影响很小，只能做频率微调），X与串联电容构成一个并联共振电路（为了方便，这里只简单的将晶体等效为电感性），晶体和电容C1、C2也构成一个π型选频网络反馈通道（也称π型谐振电路）。
N3放大器的输出端信号通过X、C2、C1构成的π型谐振电路返回N3放大器的输入端，形成反馈振荡，由此可见它的振荡频率是由π型谐振电路所决定的（当然，主要还是晶体所决定）。由于N3的输出端连接着晶振X、C2、C1组成的π型谐振电路，而且输出信号近似于正弦波，为防止负载电路对振荡电路的干扰并提高带载能力，N3的输出信号需通过N4的缓冲、放大整形后再接到负载。
在晶体X与串联电容C\(_{X}\)构成的并联共振电路里，C\(_{X}\)的损耗电阻大时，电路的Q值必然下降，同时会使晶体的特性恶化，引起C\(_{X}\)这个损耗电阻增大的因素是来自多方面的，但电阻R起到较大的作用，通常在提供足够激励的情况下，尽可能增大电阻R的电阻值（电阻R的取值一般为1MΩ～30MΩ）或在N3输出端与选频网络间（即BC间）串入一个电阻（阻值为5kΩ～10kΩ即可）。
在C1、C2之间的连接也要引起注意，连接线粗而短，不但可以减少产生损耗，而且还能防止混入干扰源而干扰了振荡器的正常工作。
在要求不高的实际应用中，为了设计方便，一般将负载电容C1=C2。在要求较高的情况下，可适当减小C1值或者并个微调电容加以调整。
虽然图5电路比图6电路少用了一个电容，但该电路在晶体损坏时仍然有可能振荡，此时由晶体内部的分布电容和C9、R3、R4以及两个反相器构成多谐振荡器。当然此时振荡频率不是晶体的频率。如果发生这种情况，系统将不能正常工作，将会出现许多莫名其妙的问题。图6电路就不存在以上问题。
要得到较精确的频率，除了电容需选用损耗小、特性好的产品外，印制板布线和各元件的温度系数也很重要。晶振与集成电路（单片机）的引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振的金属外壳接地并固定，以减少来自外界的干扰，如图7所示。此措施可解决许多疑难问题。
石英晶体的检测与代换
一个质量完好的石英晶体，外观应很整洁、无裂纹、引脚牢固可靠，其电阻值应为∞（用数字表最大电阻挡检测则显示溢出符号“OL”，如图8所示）。若用万用表测得阻值很小或为零，可以断定石英晶体已损坏。但反过来则不能成立，即若用万用表测得阻值为∞，则不能完全断定石英晶体良好。此时，可使用一只试电笔并将其刀头插入市电插座的火线孔内，用手指捏住晶体的任一引脚，将另一引脚触碰试电笔顶端的金属部分。若试电笔氖泡发红，一般说明晶体是好的；若氖泡不亮，说明晶体是坏的。
在更换晶振时通常都要用相同型号的新品，后缀字母也要尽量一致，否则很可能无法正常工作。不过对于一些要求不高的电路，可以用频率相近的进行代换，如遥控器中455kHz的晶振损坏后，若找不到同型号的晶振进行替换，可以用收音机中常用的450kHz晶振进行替换，对使用效果无影响，只是此时发射的载波频率稍有偏差，如表2所示。这是因为电视机中遥控接收头对于误差频率在1kHz内的载波信号可以正常接收、解码。
常见的晶振大多是二只脚，由于在集成电路振荡端子外围电路中总是以一个晶振（或其他谐振元件）和两个电容构成回路，为便于简化电路及工艺，有关厂家就生产了一种三脚晶振（在进口音响和其他一些家电中应用较多），其3个引脚中的中间一脚通常是电容公共端（两个电容连接端），另两脚为晶振端，也是两电容各自与晶振连接的一端。这种复合件可用一个普通同频率晶振和两个100～220pF的瓷片电容按常规连接后予以代换。
（文/赵理科）