陶瓷谐振器与石英晶体谐振器的区别

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。

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。

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。

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