高频谐振器讲义

高频谐振器讲义第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六谐振器的种类LC、RC谐振器：特点是尺寸大、初始频率精度差（±2.0%）、长期稳定性不好、需要调整；晶体谐振器：特点是尺寸大、初始频率精度高（±0.005%）、长期稳定性好、无需调整；陶瓷谐振器：特点是尺寸小、初始频率精度高（±0.5%）、长期稳定性好、无需调整；声表面波谐振器：频率段在几百MHz；介质谐振器：频率段在GHz；目前又出现了新的种类硅谐振器。第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的一般特性陶瓷谐振器利用压电陶瓷（锆钛酸铅-PZT，钛酸铅-PT）的机械振动（见下表），并且依据所需要的谐振频率而采用不同的振动模式。陶瓷谐振器的主要特性包括高度稳定的振荡频率、小巧而又轻的结构，并且避免了振荡电路的调整(与晶振相比)。第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的振动模式第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的工作原理陶瓷谐振器利用的是压电材料的机械振动。右图表示了一个陶瓷谐振器的阻抗和相位特性。坐标曲线显示谐振器在谐振频率fr和反谐振频率fa之间呈现电感性。这就意味着谐振器在这两个频率间能谐振（或者说振荡器能用它来进行振荡）。右图也显示了谐振器在fr产生极小阻抗（叫做谐振阻抗）在fa产生最大阻抗（叫做反谐振阻抗）。几乎在其他所有频率谐振器是电容性的，但也有某些频率是电感性的（被称为谐波）。由于谐振器在谐振频率处呈现电感（带一些小的串联电阻）。我们能用这部分来代替Colp电路中的电感。第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的工作原理陶瓷谐振器等效电路如下图所示。虚线框内为两端型谐振器的等效电路。在fr＜f＜fa频率范围内呈感性，加上内藏电容CL1、CL2本谐振器可作为LC网络使用，在LC正反馈振荡电路中使用一个Q1=180°为反相器，加上LC反馈电路又倒相Q2=180°而形成振荡电路。

第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的工作原理振荡条件：回路增益G=10log(α*β)≥0相移Q=Q1+Q2=360°×n

(n=1、2、3……)

基本振荡电路回路增益测量电路V10.01μFR1=50ΩT.GOutput=－20dBm2PF10MΩRf=1MΩCeramicResonatorOUTV0～IC:TC74HCU04Vcc=5.0VG=10Log(V0/V1)≥0第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器基本参数

陶瓷谐振器分为ZTA型（不带内置电容）和ZTT型（带内置电容），相应等效电路和阻抗和相位特性图如：（ZTA型）（ZTT型）第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器基本参数C0：静电容；C1：动态电容；L1动态电感；R1：动态电阻；CL1、CL2内置负载电容。Zr：谐振电阻，近似于R1；Fr：谐振频率，Fr=1/2π√L1C1；Fa：反谐振频率，Fa=1/2π√L1C1C0/(C1+C0)=Fr√1+C1/C0；FOSC：振荡频率，FOSC=Fr√1+C1/(C0+CL)；Qm：机械品质因素，Qm=1/2πFrC1R1。第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六

ZTT4.00MG产品结构说明序号零部件名称材料名1包封料2振子PZT3振子电极银（Ag）铜（Cu）4焊锡5电容银层银（Ag）6电容PZT7F树脂8引出片铜（Cu）铁（Fe）标志油墨RT-8墨第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器制造工艺流程

振子电容引脚焊接点蜡包封+标志F涂复切脚陶瓷谐振器制造流程(ZTT4.00MG)第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器的关键技术特性一.陶瓷谐振器的振荡频率陶瓷谐振器的频率稳定性介于晶振与LC或RC振荡器之间，标准产品的初始频率精度在±0.5%，温度稳定性在－20℃到＋80℃时，偏离初始值在±0.3%到±0.5%内。陶瓷谐振器的频率是由标准测量电路进行调整的，但在实际IC电路中使用时振荡频率可能会有偏移。通常工作条件下单片微型计算机的时钟信号所需的频率精度约为±2%到3%，一般情况下都可使用陶瓷谐振器的标准产品。二.陶瓷谐振器的谐振阻抗陶瓷谐振器的谐振阻抗与振动模式、标称频率等有关，高频陶瓷谐振器的谐振阻抗规格值在小于30—80欧姆的水平。第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器可靠性测试条件跌落：从1mm高处自由下落到水泥（SMD产品为木板）3次后测量。振动：振动频率10Hz-55Hz，振幅1.5mm，沿X、Y、Z三个方向各进行2h的振动后测量。耐湿：在温度为40±2℃，相对湿度为90%-95%的试验箱中放置100h，经自然放置1h后测量。高温储存：在温度为85±2℃的试验箱中放置100h，经自然放置1h后测量。低温储存：在温度为-25±2℃的试验箱中放置100h，经自然放置1h后测量。第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六耐热冲击：在-25℃试验箱中放置30min后，直接放入＋85℃的试验箱中保持30min为一次循环，5次循环后常温下放置1h进行测量。耐焊接热：引线浸入到260±5℃焊槽内，浸入深度为离引线根部2mm，保持10±1S，常温下放置1h进行测量；端子强度：对每个端子沿引线轴向施加5N静负荷，保持10±1S，然后进行测量。*我司有专门的环境试验室对以上项目进行每年4次（每季一次）的抽样试验检查，并每年2次送外委托试验。同时对新品开发、工艺、材料等变更均需经过以上项目的试验验证。

第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六嘉康公司环境试验室现场试验室振动试验设备恒温湿热箱超低温箱低温贮存箱高低温箱第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器在典型振荡电路的应用

振荡电路设计时的注意事项使用C-MOS反相器的基本振荡电路第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器在典型振荡电路的应用使用数字IC来构成振荡电路，这种做法越来越普遍，而最简单的方法就是使用反相器门。上图所示为使用C-MOS反相器的基本振荡电路的构成，INV.1用作振荡电路的反相放大器，INV.2用来形成波形，还用作连接频率计数器的缓冲器。反馈电阻Rf围绕反相器提供负反馈，以使其处于线性区内，于是当加电后，振荡就会开始。如果Rf的值太大，且如果输入反相器的绝缘电阻偶然减小，则由于环路增益的损失，振荡将停止。同时，如果Rf太大，来自其他电路的噪声可能会被引入到振荡电路中。显然，如果Rf太小，环路增益将会较低。陶瓷谐振器一般使用阻值为1MΩ的Rf。

第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器在典型振荡电路的应用阻尼电阻Rd在反相器和反馈电路之间提供松耦合，减轻反相器的负载，从而节省能量。此外，阻尼电阻还可稳定反馈电路的相位，提供一种在高频区降低增益的手段，从而防止出现寄生振荡。负载电容量CL1和CL2提供180°相位滞后。必须选择的适当值取决于用途、所使用的IC以及频率。如果CL1和CL2的值太低，高频区的环路增益就会提高，因此就会提高出现寄生振荡的可能性。反之，CL1和CL2的值太高，高频区的环路增益会降低，高频区的振荡会变得困难。以4.000MHz为例,合适的CL1和CL2值在30PF左右,低频产品CL1和CL2值应大一些,高频产品CL1和CL2值应小一些。

第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六陶瓷谐振器在典型振荡电路的应用电路中的振荡频率FOSC可近似表示为：FOSC=Fr√1+C1/(C0+CL)这表明了振荡频率是受负载电容量影响的。因此当必须严格控制振荡频率的允许偏差时，应小心定义该值。

第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT□MG产品故障原因分析表第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期六不良现象举例电容匹配(ZTT/ZTA产品的使用)频率匹配(主要是PCB上存在一些杂散电容)跳频现象(基频、三次波、五次波)高度问题（在PCB设计过程中可以避免和产品选择及对引线产品进行弯脚处理）第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六高频陶瓷谐振器类型

ZTA系列引线型陶瓷谐振器,频率范围1.79MHz-70.00MHz,由压电陶瓷振子焊上引出片外包封树脂而成。

ZTT系列引线型陶瓷谐振器,频率范围1.79MHz-70.00MHz,由压电陶瓷振子、电容片焊上引出片外包封树脂而成。

ZTA/ZTT系列片状型陶瓷谐振器，频率范围1.79MHz-70.00MHz,压电陶瓷振子密封于陶瓷外壳中。

第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTA（LS/WS）□MG型陶瓷谐振器频率范围1.79MHz-8.00MHz第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTA□MT型陶瓷谐振器频率范围6.00MHz-13.00MHz第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTA□MX型陶瓷谐振器频率范围13.01MHz-60.00MHz第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT（LS/WS）□MG型陶瓷谐振器频率范围1.79MHz-8.00MHz第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTTRS□MG型陶瓷谐振器频率范围1.79MHz-4.00MHz-8.00MHz第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT□MT型陶瓷谐振器频率范围6.00MHz-13.00MHz第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT□MX型陶瓷谐振器频率范围13.01MHz-60.00MHz第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT（A）CC□MG型陶瓷谐振器频率范围1.79MHz-8.00MHz第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT（A）CR□MG型陶瓷谐振器频率范围：4.00MHz-8.00MHz第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT（A）CV□MX（T）型陶瓷谐振器频率范围8.00MHz-60.0MHz第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期六ZTT（A）CW□MX型陶瓷谐振器频率范围:20.0MHz-60.0MHz第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期六压电陶瓷谐振器的现状与发展压电陶瓷作为重要的功能材料在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年销售量按15%左右的速度增长。随着信息产业的飞速发展，压电陶瓷谐振器已在音视频、通讯、电脑周边等领域大量应用。随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，频率器件正面临着前所未有的挑战。如今，片式化、高频化、小型化已成为频率器件的主流发展方向。陶瓷谐振器适合绿色环保要求的发展趋势，对压电陶瓷产品来说，主要是实现产品无铅化，目前，产品除陶瓷芯片外部分已基本实现无铅化，陶瓷芯片无铅化也在加快研发速度。第三十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期六注意事项一.不要对产品和引线端子施加过大的机械压力。二.引脚产品请不要采用再流焊焊