陶瓷谐振器的共振原理

等效电路常数：图1.2显示了陶瓷谐振器的符号。端子间的阻抗和相位特性如图1.5所示。该图说明陶瓷谐振器在提供最小阻抗的频率fr（谐振频率）和提供最大阻抗的频率fa（反谐振频率）之间的频率范围内变为电感性的。它在其他频率范围内变为电容。这意味着双端子谐振器的机械振荡可以用等效电路代替，该等效电路由串联和并联谐振电路的组合构成，其中包括电感器L，电容器C和电阻器R.在谐振频率附近，等效电路可以表示如图1.4所示。

fr和f a频率由压电陶瓷材料及其物理参数决定。等效电路常数可以从以下公式确定：

考虑到fr≤f≤fa的有限频率范围，阻抗给出为Z = R e + jwL e（Le≤= 0），如图1.5所示。 陶瓷谐振器应当作为具有损耗R e（Ω）的电感器L e（H）操作。

图1.1显示了陶瓷谐振器和石英晶体谐振器之间等效电路常数的比较。 注意，电容和Q m存在很大差异，这导致实际操作时振荡条件的差异。 附录中的表格显示了每种陶瓷谐振器的等效电路常数的标准值。

除了期望的振荡模式之外，存在用于其他振荡模式的高次谐波。 存在这些其他振荡模式是因为陶瓷谐振器使用机械共振。 图1.6显示了这些特征。

基本振荡电路

通常，振荡电路可分为以下三种类型：

1.积极的反馈

2.负电阻元件

3.在陶瓷谐振器，石英晶体谐振器和LC振荡器的情况下，传输时间或相位的延迟，正反馈是首选电路。

在使用LC的正反馈振荡电路中，通常使用Colpitts和Hartley的调谐型反耦合振荡电路。 见图1.7。

在图1中。 在图7中，使用晶体管，它是最基本的放大器。

振荡频率与Colpitts电路中由L，C L1和C L2组成的电路的谐振频率大致相同，或者由Hartley电路中的L 1，L 2和C组成。 这些频率可以用下面的公式表示。

在陶瓷谐振器振荡器中，利用陶瓷谐振器代替电感器，利用谐振器在谐振和反谐振频率之间变为电感的事实。 最常用的电路是Colpitts电路。

这些振荡电路的工作原理如图2.1所示。 满足以下条件时发生振荡。

环路增益：G =α•β≥1

相位量：φT=φ1+φ2= 360°•n（n = 1,2，...）

在Colpitts电路中，使用φ1= 180°的反转，并且在反馈电路中用L和C反转φ2= 180°。 用陶瓷谐振器的操作可以认为是相同的。

应用

典型的振荡电路：陶瓷谐振器最常见的振荡器电路是Colpitts电路。电路的设计随应用和要使用的IC等而变化。尽管电路的基本配置与晶体控制振荡器的基本配置相同，但机械Q的差异是由电路常数的差异引起的。一些典型的例子如下。

设计考虑因素：使用逆变器门将数字IC配置为振荡电路变得越来越普遍。下页的图3.1显示了带CMOS反相器的基本振荡电路的配置。

INV.1用作振荡电路的反相放大器。 INV.2用作波形整形器，也用作输出的缓冲器。

反馈电阻R f在逆变器周围提供负反馈，以便在通电时振荡开始。

如果R f的值太大而输入逆变器的绝缘电阻很低，则由于环路增益的损失，振荡将停止。而且，如果R f太大，则可以将来自其他电路的噪声引入振荡电路。显然，如果R f太小，则环路增益会降低。 1MΩ的R f通常与陶瓷谐振器一起使用。

阻尼电阻Rd具有以下功能，但有时省略。它使逆变器和反馈电路之间的耦合松动;从而减小逆变器输出侧的负载。此外，反馈电路的相位稳定。它还提供了一种降低高频增益的方法，从而防止了寄生振荡的可能性。

负载电容：负载电容C L1和C L2提供180°的相位滞后。应根据应用，使用的IC和频率正确选择这些值。如果C L1和C L2的值低于必要值，则高频环路增益会增加，从而增加了寄生振荡的可能性。这特别有可能在厚度振动模式所在的4-5MHz附近。

该电路中的振荡频率（f OSC）大致由下式表示。

其中，f r：陶瓷谐振器的谐振频率。

C1：陶瓷谐振器的等效串联电容。

C0：陶瓷谐振器的等效并联电容。

C L = C L1•C L2 / C L1 + C L2

这清楚地表明振荡频率受负载电容的影响。当需要对振荡频率的严格公差时，应注意定义其值。

CMOS反相器：CMOS反相器可用作反相放大器; 4069 CMOS组的单级型最有用。由于增益过大，环形振荡或CR振荡是使用三级缓冲型逆变器（如4049组）时的典型问题。 ECS采用RCA CD4O69UBE作为CMOS标准电路，如图3.2所示。

HCMOS逆变器电路：最近，高速CMOS（HCMOS）越来越多地用于允许微处理器的高速和低功耗的电路。

HCMOS逆变器有两种类型：非缓冲74HCU系列和带缓冲器的74HC系列。 74HCU系统是陶瓷谐振器的最佳选择。见图3.3

TTL逆变器电路：由于阻抗匹配，负载电容C L1和C L2的值应大于CMOS的值。此外，反馈电阻R f应小至几KΩ。注意，需要偏置电阻R d来正确确定DC工作点。

频率相关：振荡器电路如图所示

以下页面是ECS标准测试电路。这些电路中使用的逆变器被广泛接受为工业标准，因为它们的特性代表了同一系列（CMOS / HCMOS / TTL）中微处理器中的特性。当然，应用将使用不同的IC，并且可以预期，振荡器电路特性将因IC而异。

通常，这种变化可以忽略不计，并且可以简单地通过将处理器分类为CMOS，HCMOS或TTL来选择陶瓷谐振器部件号。

鉴于标准ECS陶瓷谐振器在下页中对测试电路进行100％频率分类，因此将标准电路的振荡频率与客户指定电路的振荡频率相关联相对容易。

例如，如果使用的微处理器是摩托罗拉6805，频率为4MHz，那么正确的ECS部件号将是ZTA4.OMG（频率分类到CD4O69UBE CMOS测试电路）。电路参数应选择如下：

通过实际设置该电路以及下面图3.1所示的标准测试电路，可以确定使用带有6805处理器的ZTA4.OMG时可以预期的平均偏移。 实际数据如下所示：

根据这些数据，可以预测标准ZTA4.00MG谐振器的频率偏离原始的4.00MHz±0.5％初始容差约+ 0.06％。 这当然是一个可以忽略不计的转变，不会以任何方式影响电路性能。

各种IC / LSI电路：

通过充分利用前面提到的特征，陶瓷谐振器与各种IC组合在一起被广泛应用。以下是一些实际应用示例。

微处理器的应用：陶瓷谐振器是各种微处理器的最佳稳定振荡元件：4位，8位和16位。由于微处理器参考时钟所需的一般频率容差为±2％ - 3％，因此标准单元满足此要求。向您的ECS或LSI制造商询问电路常数，因为它们随频率和使用的LSI电路而变化。图A显示了具有4位微处理器的应用程序，图B显示了具有8位微处理器的应用程序。

遥控器IC：遥控器越来越成为一种常见功能。振荡频率通常为400-500 KHz，455KHz是最受欢迎的。该455KHz被载波信号发生器分频，从而产生大约38KHz的载波。

VCO（压控振荡器）电路：VCO电路用于电视和音频设备，因为信号需要与广播电台发送的导频信号同步处理。最初使用振荡电路，例如LC和RC;然而，现在使用陶瓷谐振器，因为它们不需要调整并且具有优于旧型电路的稳定性。用于VCO应用的谐振器需要具有宽的可变频率

其他：除上述用途外，陶瓷谐振器广泛用于IC用于语音合成和时钟生成。对于一般的定时控制应用，振荡频率通常由用户根据IC制造商推荐的工作频率范围选择。用给定的IC选择这个频率将决定什么电路值和哪个陶瓷谐振器是合适的。选择陶瓷谐振器部件号时，请联系您当地的ECS销售代表。

如前所述，陶瓷谐振器有许多应用。一些更具特定应用的振荡器电路要求为该应用和IC开发独特的陶瓷谐振器。

振荡上升时间

振荡上升时间是指在激活IC的电源时振荡从瞬态区域发展到稳定区域的时间。使用陶瓷谐振器时，它定义为在稳定条件下达到振荡电平的90％的时间如图6.1所示。

上升时间主要是振荡电路设计的函数。通常，较小的负载电容，较高频率的陶瓷谐振器和较小尺寸的陶瓷谐振器将导致较快的上升时间。随着谐振器的电容减小，负载电容的影响变得更明显。图6.2显示了对负载电容（C L）和电源电压的上升时间的实际测量。值得注意的是，陶瓷谐振器的上升时间比石英晶体快一到二十倍。 （这一点在图6.3中用图解说明）

启动电压：启动电压是指振荡电路可以工作的最小电源电压。所有电路元件都会影响启动电压。它主要取决于IC的特性。图6.4示出了相对于负载电容的起始电压特性的实际测量的示例。

陶瓷共振器振荡特性

下面描述基本电路中振荡的一般特性。有关特定类型的IC和LSI的振荡特性，请与泰河电子联系。

在-20°C至+ 80°C的范围内，温度变化的稳定性为±0.3至0.5％，尽管根据陶瓷材料的不同而略有不同。负载电容（C L1，C L2）对振荡频率的影响相对较高，可以根据f OSC的公式计算.ffC。由于电容，变化约±0.1％

工作电压范围内的偏差为±0.1％。 f OSC。也随IC的特性而变化。

电源电压变化特性：有关给定振荡频率的实际稳定性测量示例，请参见下面的图1。

振荡水平：以下是振荡水平对温度，电源电压和负载电容（C L1，C L2）的实际测量示例。振荡水平要求在很宽的温度范围内保持稳定，并且温度特性应尽可能平坦。除非IC具有内部恒定电压电源，否则这种变化与电源电压呈线性关系。