陶瓷谐振器和滤波器在频率控制与信号调理中占据了一个实用的中间地带，为设计人员提供了比石英晶体和LC网络更经济高效的替代方案。这些器件基于压电陶瓷制成，可在广泛的应用领域中提供稳定的振荡和选择性滤波，从消费电子产品中的定时电路到射频设计中的噪声抑制，均可胜任。
它们的优势在于兼顾性能和简洁性：易于集成、精度适中、运行可靠，适用于不需要极致精度的场合。
初识陶瓷谐振器
在许多应用中，陶瓷谐振器是稳定振荡频率的理想选择，可替代石英晶体。与石英器件相比，陶瓷谐振器易于大规模生产、成本低廉、坚固耐用且尺寸紧凑，这些优点通常足以弥补其在频率控制精度方面的不足。
此外，陶瓷谐振器更适合应对外部电路或电源电压的波动。它们依靠机械谐振，无需调整即可提供稳定的振荡。这些特性还使其具有更快的上升时间和不受驱动电平影响的性能。
当前石英晶体仍然是最常见的谐振器件，而RC和LC电路则广泛用于在振荡电路中产生电谐振。但与RC或LC网络不同，陶瓷谐振器依赖于机械谐振，因此它们几乎不受外部电路或电源电压波动的影响。
因此，无需调整即可实现高度稳定的振荡电路。下图显示了两种常用的陶瓷谐振器。
图1：常见的2引脚和3引脚陶瓷谐振器的典型封装形式。来源：作者
陶瓷谐振器有两引脚和三引脚两种版本。两引脚版本需要外部负载电容才能正常工作，而三引脚版本则将这些电容集成在内部，从而简化了电路设计并减少了元件数量。两种版本都能提供稳定的频率控制，具体选择取决于电路板空间、成本和设计。
图2：2引脚和3引脚陶瓷谐振器的标准电路符号。来源：作者
基本的振荡电路通常可以分为三类：正反馈、负阻元件和延迟传输时间或延迟相位。对于陶瓷谐振器、石英晶体谐振器和LC振荡器，正反馈是首选的电路设计方案。
陶瓷谐振器最常见的振荡器电路是Colpitts电路。电路设计细节会因应用和所用集成电路而异。越来越多的振荡电路采用数字集成电路来实现，通常会使用反相器。下图展示了一个典型的实际应用示例(455kHz)，该示例使用CMOS反相器。
图3：采用CMOS反相器和陶瓷谐振器的实用振荡器电路的典型结构。来源：作者
在上述电路图中，IC1A用作振荡电路的反相放大器，而IC1B则用于整形波形并缓冲输出。反馈电阻R1为反相器提供负反馈，确保通电后振荡开始。
如果R1过大且输入反相器的绝缘电阻过低，振荡可能因环路增益损失而停止。过大的R1值还会引入来自其他电路的噪声，而过小的R1值则会降低环路增益。
负载电容C1和C2提供180°的相位延迟。它们的数值必须根据应用、集成电路和频率仔细选择。电容值过低会增加高频时的环路增益，进而增加杂散振荡的风险。由于振荡频率受负载电容的影响，因此在需要严格频率容差时必须格外谨慎。
注意，阻尼电阻R2(有时会被省略)会减弱反相器和反馈电路之间的耦合，从而降低反相器输出端的负载。它还能稳定反馈相位并限制高频增益，有助于防止杂散振荡。
陶瓷滤波器及其应用
在简单介绍了陶瓷谐振器的基础知识之后，我们现在将重点转向陶瓷滤波器。谐振器工作原理的更深层次原理可以在以后讨论，目前，重点在于滤波器的应用。
滤波器是一种用于通过或阻挡特定频率的电子元件。滤波器根据其结构和所用材料进行分类，陶瓷滤波器采用压电陶瓷作为机电换能器和机械谐振器，将电气系统和机械系统集成于单个器件中，从而实现其特有的响应特性。
与其他滤波器一样，陶瓷滤波器具有独特的特性，使其区别于其他滤波器，并使其在特定应用中具有特殊的价值。它们通常以带通结构或双工器的形式实现，但不能作为宽带低通或高通滤波器，因为陶瓷谐振器本身具有窄带特性。
在实际应用中，陶瓷滤波器被广泛应用于无线电接收机和发射机的中频和射频带通电路。这些射频和中频陶瓷滤波器成本低廉、易于实现，非常适合许多对晶体滤波器精度和性能要求不高的设计。
图4：各种陶瓷过滤器及其封装示例。来源：作者
以455 kHz陶瓷滤波器为例，它本质上是一个带通滤波器，其中心频率为455kHz，频率响应非常窄。理论上，中心频率处的衰减为0dB，但实际上插入损耗通常为2–6dB。随着输入频率偏离455kHz，衰减会急剧增加。
根据滤波器等级的不同，有效通带范围约为：窄带滤波器为455kHz±2kHz，宽带滤波器为±15kHz(理论上通常为±10kHz)。超出此范围的信号会被强烈抑制，在±100kHz处阻带衰减可达40dB或更多。
顺便一提，陶瓷鉴频器的工作原理是将频率变化转换为电压信号，然后通过音频检测方法进行处理，这种方法广泛应用于FM接收机中。FM检波是通过频率与输出电压呈线性关系的电路实现的，常见的FM检波方法包括比值检测、Foster-Seeley检测、正交检测和差分峰值检测。
比如CDB450C24，这是一款专为450kHz FM检波设计的陶瓷鉴频器。它采用压电陶瓷，提供稳定的中心频率和线性频率-电压转换，使其非常适合正交检测电路，例如那些使用老式东芝TA31136F FM中频检波IC构建的无绳电话电路。
CDB450C24结构紧凑、经济高效，充分体现了陶瓷鉴频器在可靠FM音频检测中的应用价值。
图5：TA31136FIC应用电路图，展示了CDB450C24的实际应用。来源：东芝
在设计实践中，选择450 kHz作为陶瓷鉴频器频率是因为AM收音机长期标准化为455 kHz IF，而FM接收机通常使用10.7MHz作为选择频率。
然而，为了实现经济高效的FM检测，许多设计采用了450kHz左右的二级中频级，其中陶瓷鉴频器可以提供稳定的窄带频率到电压转换。
这种双中频方法平衡了10.7MHz的高频选择性和450kHz的实用检测能力，使得像CDB450C24这样的陶瓷鉴频器成为FM音频解调的理想选择。
多极陶瓷滤波器通过组合多个谐振器来增强选择性和加陡衰减斜率，主要用于分离相邻频道并抑制邻道干扰。它们展示了陶瓷技术在消费和专业通信系统中是如何不断平衡简洁性和性能。
结语
在您离开之前，可以思考一下陶瓷谐振器和滤波器是如何在现代设计中持续提供可靠的频率控制和信号整形功能的。它们兼具简洁性、成本效益和高性能，使其成为无数应用背后默默发挥作用的支持力量。
也欢迎您在评论区分享您在使用这些组件方面的经验和技巧。
文章来源：EDN电子技术设计