陶瓷諧振器(CeramicResonator)是利用壓電陶瓷(一般為鋯鈦酸鉛,PZT)的壓電效應產生諧振頻率的電子元件,電路符號與石英晶體諧振器(QuartzCrystal)相同。
與石英晶體諧振器(QuartzCrystal)相比,陶瓷諧振器也屬于無源諧振元件,兩者的起振原理也非常相似,但陶瓷元件的頻率精度不如石英諧振器,通常用于消費、工業、汽車領域中對頻率精度要求不高,但使用溫度范圍更廣的應用。
陶瓷諧振器與石英晶振的對比與替代
諧振原理
陶瓷諧振器的振子為壓電陶瓷材料,施加電壓時陶瓷會膨脹或收縮,受力時陶瓷會產生電壓,這就是壓電效應。
陶瓷材料的基本單元是微晶體,每個晶體由帶正電荷或負電荷的原子構成。在自然狀態下,大多數陶瓷帶有的正、負電荷是平衡的,但也有一種介電陶瓷(稱為鐵電體)在晶體中帶有不平衡的正、負電荷,會造成偏電荷,也就是發生自發*化。
焙燒后,鐵電陶瓷會立即發生自發*化并產生隨機*軸,而正、負電荷整體上是平衡的。但是,隨著高直流電壓的應用,自發*化產生的*軸在相同的方向上對齊,即使去掉電壓,*軸也不會隨之消失。使自發*化*軸對準的過程被稱為*化過程。
如果將*化過程應用于鐵電陶瓷,就會生成壓電陶瓷。當給壓電陶瓷施加外部電壓時,陶瓷內的正、負電荷的中心會相互吸引或排斥,就會造成陶瓷的膨脹或縮小。或者,給壓電陶瓷施加壓力,就會在壓電陶瓷的對面產生正、負電荷;如果對壓電陶瓷施加張力,電荷的*性會相反。
利用這種晶體*化,可以使電能和機械能相互轉化。基于壓電陶瓷的機械諧振頻率隨振動模式的變化而變化的特性,可以制作出各種陶瓷元件,如陶瓷諧振器、陶瓷濾波器、陶瓷陷波器、聲表濾波器、壓電蜂鳴器等。
性能特點
與石英晶體諧振器對比,雖然陶瓷諧振器的頻率和溫度穩穩定度欠佳,但尺寸小,可在150度下運作,符合AEC-Q200標準,而且成本只有晶體的一半。
陶瓷諧振器與石英晶振的對比與替代
(1)尺寸小,重量輕。陶瓷諧振器為獨石結構,尺寸只有普通石英晶體諧振器尺寸的一半,而且堅固抗震。
(2)成本低,免調整。與CR、LC電路不同,陶瓷諧振器利用的是機械諧振而不是電諧振,基本上不受外部電路或電源電壓波動的影響,可以制作成無需調整的高度穩定的振蕩電路,便于客戶批量生產。
(3)內置負載電容。陶瓷諧振器屬于負載電容內置型,諧振電路設計較為簡單。同時,它還能節省包括負載電容在內的基板貼裝面積。
(4)輕薄、外形小。采用輕薄的小外形設計,可減少元件數量。無外置電容的尺寸減少了約48%(與晶體3225尺寸相比),有助于實現模塊元件的小型化。
(5)高可靠性需求。具有支持CAN通信等高精度通信的電氣特性,為在發動機、電池附近等以及溫度更高的環境中工作,工作溫度*高可達到150度。
主要技術指標上,陶瓷諧振器和石英晶體相似,有頻率、頻率公差、工作溫度范圍、頻率溫度特性、頻率老化等。
陶瓷諧振器與石英晶振的對比與替代
選型及替代
從技術參數看,只要價格和安裝尺寸允許,石英晶振可以直接代替陶瓷諧振器。對于頻率要求不苛刻的應用,陶瓷諧振器依然是的優選時鐘元件,例如電動汽車EV/PHEV的車載電池管理系統(BMS)、充電機(OBC)、水泵(WP)以及DC-DC轉換器等。
用陶瓷諧振器代替石英晶振,元件價格降低了,溫度性能也提高了。但須注意諧振電阻和負載電容,有的陶瓷諧振器已經內置了負載電容,這樣可大幅降低BOM成本,還節省了PCB安裝尺寸,有利于實現輕薄短小的終端產品。