陶瓷諧振器(Ceramic Resonator)是利用壓電陶瓷 (一般為鋯鈦酸鉛，PZT) 的壓電效應(yīng)產(chǎn)生諧振頻率的電子元件，電路符號與石英晶體諧振器(Quartz Crystal)相同。

與石英晶體諧振器(Quartz Crystal)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(fèi)、工業(yè)、汽車領(lǐng)域中對頻率精度要求不高，但使用溫度范圍更廣的應(yīng)用。

圖1. 陶瓷諧振器及電路符號

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(chǎn)生電壓，這就是壓電效應(yīng)。

陶瓷材料的基本單元是微晶體，每個晶體由帶正電荷或負(fù)電荷的原子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，大多數(shù)陶瓷帶有的正、負(fù)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(fù)電荷，會造成偏電荷，也就是發(fā)生自發(fā)極化。

焙燒后，鐵電陶瓷會立即發(fā)生自發(fā)極化并產(chǎn)生隨機(jī)極軸，而正、負(fù)電荷整體上是平衡的。但是，隨著高直流電壓的應(yīng)用，自發(fā)極化產(chǎn)生的極軸在相同的方向上對齊，即使去掉電壓，極軸也不會隨之消失。使自發(fā)極化極軸對準(zhǔn)的過程被稱為極化過程。

如果將極化過程應(yīng)用于鐵電陶瓷，就會生成壓電陶瓷。當(dāng)給壓電陶瓷施加外部電壓時，陶瓷內(nèi)的正、負(fù)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?；蛘?，給壓電陶瓷施加壓力，就會在壓電陶瓷的對面產(chǎn)生正、負(fù)電荷;如果對壓電陶瓷施加張力，電荷的極性會相反。

利用這種晶體極化，可以使電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化?；趬弘娞沾傻臋C(jī)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。

技術(shù)特點(diǎn)

與石英晶體諧振器對比，雖然陶瓷諧振器的頻率和溫度穩(wěn)穩(wěn)定度欠佳，但尺寸小，可在150度下運(yùn)作，符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，而且成本只有晶體的一半。

圖2. 陶瓷諧振器與其他諧振組件的比較

(1) 尺寸小，重量輕。陶瓷諧振器為獨(dú)石結(jié)構(gòu)，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(diào)整。與CR、LC電路不同，陶瓷諧振器利用的是機(jī)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(diào)整的高度穩(wěn)定的振蕩電路，便于客戶批量生產(chǎn)。

(3)內(nèi)置負(fù)載電容。陶瓷諧振器屬于負(fù)載電容內(nèi)置型，諧振電路設(shè)計較為簡單。同時，它還能節(jié)省包括負(fù)載電容在內(nèi)的基板貼裝面積。

(4)輕薄、外形小。采用輕薄的小外形設(shè)計，可減少元件數(shù)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(shí)現(xiàn)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(fā)動機(jī)、電池附近等以及溫度更高的環(huán)境中工作，工作溫度最高可達(dá)到150度。

主要技術(shù)指標(biāo)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。

圖3. 陶瓷諧振器的技術(shù)指標(biāo)

選型及替代

從技術(shù)參數(shù)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(yīng)用，陶瓷諧振器依然是的優(yōu)選時鐘元件，例如電動汽車EV/PHEV的車載電池管理系統(tǒng)(BMS)、充電機(jī)(OBC)、水泵(WP)以及DC-DC轉(zhuǎn)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(fù)載電容，有的陶瓷諧振器已經(jīng)內(nèi)置了負(fù)載電容，這樣可大幅降低BOM成本，還節(jié)省了PCB安裝尺寸，有利于實(shí)現(xiàn)輕薄短小的終端產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅