陶瓷谐振器与石英晶体谐振器的区别

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描述

陶瓷谐振器(Ceramic Resonator)是利用压电陶瓷 (一般为锆钛酸铅,PZT) 的压电效应产生谐振频率的电子元件,电路符号与石英晶体谐振器(Quartz Crystal)相同。

与石英晶体谐振器(Quartz Crystal)相比,陶瓷谐振器也属于无源谐振元件,两者的起振原理也非常相似,但陶瓷元件的频率精度不如石英谐振器,通常用于消费、工业、汽车领域中对频率精度要求不高,但使用温度范围更广的应用。

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图1. 陶瓷谐振器及电路符号

谐振原理

陶瓷谐振器的振子为压电陶瓷材料,施加电压时陶瓷会膨胀或收缩,受力时陶瓷会产生电压,这就是压电效应。

陶瓷材料的基本单元是微晶体,每个晶体由带正电荷或负电荷的原子构成。在自然状态下,大多数陶瓷带有的正、负电荷是平衡的,但也有一种介电陶瓷 (称为铁电体) 在晶体中带有不平衡的正、负电荷,会造成偏电荷,也就是发生自发极化。

焙烧后,铁电陶瓷会立即发生自发极化并产生随机极轴,而正、负电荷整体上是平衡的。但是,随着高直流电压的应用,自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐,即使去掉电压,极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程被称为极化过程。

如果将极化过程应用于铁电陶瓷,就会生成压电陶瓷。当给压电陶瓷施加外部电压时,陶瓷内的正、负电荷的中心会相互吸引或排斥,就会造成陶瓷的膨胀或缩小。或者,给压电陶瓷施加压力,就会在压电陶瓷的对面产生正、负电荷;如果对压电陶瓷施加张力,电荷的极性会相反。

利用这种晶体极化,可以使电能和机械能相互转化。基于压电陶瓷的机械谐振频率随振动模式的变化而变化的特性,可以制作出各种陶瓷元件,如陶瓷谐振器、陶瓷滤波器、陶瓷陷波器、声表滤波器、压电蜂鸣器等。

技术特点

与石英晶体谐振器对比,虽然陶瓷谐振器的频率和温度稳稳定度欠佳,但尺寸小,可在150度下运作,符合AEC-Q200标准,而且成本只有晶体的一半。

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图2. 陶瓷谐振器与其他谐振组件的比较

(1) 尺寸小,重量轻。陶瓷谐振器为独石结构,尺寸只有普通石英晶体谐振器尺寸的一半,而且坚固抗震。

(2)成本低,免调整。与CR、LC电路不同,陶瓷谐振器利用的是机械谐振而不是电谐振,基本上不受外部电路或电源电压波动的影响,可以制作成无需调整的高度稳定的振荡电路,便于客户批量生产。

(3)内置负载电容。陶瓷谐振器属于负载电容内置型,谐振电路设计较为简单。同时,它还能节省包括负载电容在内的基板贴装面积。

(4)轻薄、外形小。采用轻薄的小外形设计,可减少元件数量。无外置电容的尺寸减少了约48%(与晶体3225尺寸相比),有助于实现模块元件的小型化。

(5)高可靠性需求。具有支持CAN通信等高精度通信的电气特性,为在发动机、电池附近等以及温度更高的环境中工作,工作温度最高可达到150度。

主要技术指标上,陶瓷谐振器和石英晶体相似,有频率、频率公差、工作温度范围、频率温度特性、频率老化等。

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图3. 陶瓷谐振器的技术指标

选型及替代

从技术参数看,只要价格和安装尺寸允许,石英晶振可以直接代替陶瓷谐振器。对于频率要求不苛刻的应用,陶瓷谐振器依然是的优选时钟元件,例如电动汽车EV/PHEV的车载电池管理系统(BMS)、充电机(OBC)、水泵(WP)以及DC-DC转换器等。

用陶瓷谐振器代替石英晶振,元件价格降低了,温度性能也提高了。但须注意谐振电阻和负载电容,有的陶瓷谐振器已经内置了负载电容,这样可大幅降低BOM成本,还节省了PCB安装尺寸,有利于实现轻薄短小的终端产品。

审核编辑:汤梓红

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