Keramické rezonátory pro povrchovou montáž

Keramické rezonátory představují v mnoha aplikacích atraktivní alternativu ke krystalům při stabilizaci kmitočtu. Nízká cena, mechanická odolnost a malé rozměry obvykle vyváží sníženou přesnost řízení frekvence ve srovnání s krystaly. Keramické rezonátory jsou nyní dostupné i v baleních pro povrchovou montáž, určených pro automatické osazování.

Na obrázku 1 je zapojení náhradního obvodu rezonátoru. Typické hodnoty prvků náhradního obvodu rezonátoru 455 kHz a 4 MHz jsou uvedeny v tabulce 1.

Obr. 1 Náhradní obvod rezonátoru

Závislost rezonanční a antirezonanční frekvence na parametrech náhradního obvodu je vyjádřena následujícími vztahy, kde Fr je rezonanční frekvence a Fa je antirezonanční frekvence, viz obrázek 2.

Obr. 2 Vztah mezi impedancí a fází u keramických rezonátorů

Keramické rezonátory obecně pracují v paralelním rezonančním režimu. To umožňuje použití invertujícího zesilovače nebo logického invertoru, který zajistí fázový posun 180°. Kombinace rezonátoru v indukční části jeho kmitočtové charakteristiky se zatěžovacími kondenzátory poskytuje vyvážení fázového posunu 360° kolem smyčky oscilátoru, které je nutné k udržení oscilací. Kromě toho k udržení oscilace musí být zisk zesilovače takový, aby zesílení smyčky bylo rovno nebo větší než 1.

Oscilační frekvence specifikovaná pro konkrétní rezonátor je frekvence, na které bude rezonátor pracovat při použití s daným integrovaným obvodem a odpovídajícími zatěžovacími kondenzátory. Referenční integrovaný obvod požívaný společností AVX/ Kyocera je MC14069 (šestice invertorů). Pokud je rezonátor použit s jiným typem integrovaného obvodu nebo zatěžovacími kondenzátory odlišnými od referenčního obvodu, může se oscilační frekvence mírně lišit od jmenovité hodnoty. V mnoha případech lze frekvenci „oříznout“ zpět na požadovanou frekvenci změnou hodnoty zatěžovacích kondenzátorů nebo jinou úpravou oscilačního obvodu.

Doporučení pro návrh rezonátorových obvodů s mnoha běžně používanými integrovanými obvody jsou k dispozici v publikaci „Application circuits of ceramic resonators“, kterou je možné získat u společnosti AVX/ Kyocera. Pro speciální aplikace je možné získat rezonátory, které jsou odladěny pro konkrétní integrovaný obvod s důrazem na vylepšení tolerance frekvence a provozního výkonu.

Obrázek 3 ukazuje typický oscilační obvod s použitím keramického rezonátoru. Invertor a vyrovnávací obvod mohou být ve formě diskrétních logických součástek nebo mohou být součástí oscilačního obvodu na čipu mikrokontroléru. Zákazník má možnost pro mnoho frekvencí použít rezonátor, který má zatěžovací kondenzátory zabudované do jednoho pouzdra se třemi vývody. Při návrhu obvodu to znamená nižší počet součástek i potřebu menšího prostoru na DPS.

Obr. 3 Typický rezonátorový oscilační obvod a funkční obvody s 2 a 3 vývodovými (zabudované kondenzátory) rezonátory

Je třeba poznamenat, že výrobce keramických rezonátorů udává toleranci frekvence při teplotě 25 °C a při použití s referenčním integrovaným obvodem, jak bylo uvedeno výše. Kromě tolerance frekvence je udána i teplotní stabilita, obvykle v rozsahu −20 až +80 °C. Typická hodnota tolerance při 25 °C je ±0,5 %. Pro aplikace, jako je např. generátor telefonních DTMF tónů, lze vyrobit rezonátory odladěné pro konkrétní integrovaný obvod s tolerancí ±0,3 %. Teplotní stabilita rezonátorů v rozsahu −20 až +80 °C je typicky ±0,3 %. Obrázek 4 ukazuje charakteristiku teplotní stability tří typů rezonátorů, jeden 480 kHz a dva 4,19 MHz, jeden se zabudovanými zatěžovacími kondenzátory a jeden bez kondenzátorů.

Obr. 4 Typická závislost frekvence na teplotě pro tři typy keramických rezonátorů pro povrchovou montáž

Doporučení pro povrchovou montáž

Všechny tři popisované typy rezonátorů jsou speciálně navrženy pro povrchovou montáž a lze u nich použít všechny typy pájení reflow – IR, konvekční a v parách, s následným čištěním DPS.

Přesto ale doporučujeme, aby vystavení vysoké teplotě během pájení bylo pouze jednorázové, aby nemohlo dojít k možnému trvalému poškození rezonátorů.

Doporučený teplotní profi l pro IR refl ow pájení je znázoněn grafem na obrázku 5.

Obr. 5 Doporučený teplotní profil pro IR reflow pájení – rezonátory pro povrchovou montáž

Řada KBR-Y

Jedná se o keramické rezonátory se dvěma vývody pro kHz pásmo určené pro povrchovou montáž. V současné době jsou k dispozici tyto frekvence: 38–430, 440–525, 600–655, 795–815 a 960–1020 kHz. Vývody křídlového typu mají rozteč 5 mm pro frekvence do 655 kHz a 2,5 mm pro vyšší frekvence. Doporučené rozvržení pájecích plošek pro tyto dva typy rezonátorů jsou na obrázku 6. Doporučujeme připevnit plastové pouzdro rezonátoru k DPS pomocí lepidla, které se během reflow pájení vytvrdí, čímž se sníží namáhání pájených spojů z důvodu mechanických nárazů nebo vibrací.

Obr. 6 Obrazec pájecích plošek pro KBR-Y

Řada PBRC-A/B

Jedná se o bezvývodové rezonátory v keramickém pouzdru „čipového“ typu. Pouzdro se skládá z keramické podložky s pájecími ploškami, na kterou je hermeticky připevněn keramický kryt. V současné době jsou k dispozici pro řadu PBRC-A frekvence 2,0 až 8,0 MHz a pro řadu PBRC-B frekvence 2,0 až 20,0 MHz. Řada PBRC-B má dva zatěžovací kondenzátory zabudované do pouzdra a na podložce má tři plošky. Tvar a rozměry jsou stejné jako u řady PBRC-A, která nemá vnitřní zatěžovací kondenzátory, a proto má podložku opatřenu pouze 2 ploškami. Doporučené rozmístění pájecích plošek je na obrázku 7.

Obr. 7 Doporučené obrazce pájecích plošek pro PBRC

Dobrých výsledků dosáhnete při použití tloušťky pájecí pasty přibližně 0,2 mm.

Protože rezonátory čipového typu nemají žádné poddajné vývody, které by absorbovaly pnutí způsobené ohýbáním DPS, doporučujeme umístit rezonátory na DPS tak, aby bylo takové pnutí minimalizováno. Experimenty s různými tloušťkami papír fenolových a FR4 DPS s poměrem stran 2:1 ukázaly, že zarovnání rezonátorů s kratší stranou DPS umožňuje dvakrát větší ohyb, než dojde k poškození pájeného spoje, oproti zarovnání s dlouhou stranou DPS.

www.avx.com