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晶振相關知識及其佈線規範

若想檢視無源晶振和有源晶振的佈線規則,請直接跳至第4、5節

1、晶體單元的特性取決於切割工藝,主要有三種:

3.1、音叉型(Turning Fork):頻率主要是KHz級,比如32.768KHz;
3.2、AT-Cut型:頻率主要是MHz,比如12MHz、26MHz、125MHz;
3.3、SAW型:頻率為百MHz、甚至GHz。

2、晶體振盪單元(無源晶振)電路的評估:頻率匹配、振盪裕度、激勵功率
        
為了獲得穩定的振盪,通常情況下石英晶體單元與振盪電路的匹配十分重要。若電路結構與晶體單元的匹配中存在問題,就會產生頻率不夠穩定、停止起振或振盪不穩定等問題。石英晶體單元與微機一起使用時,需要評估振盪電路。確認石英晶體單元與振盪電路的匹配之際,至少要對振盪頻率(頻率匹配)、振盪裕度(負阻抗)和激勵功率的三項進行評估。

2.1、頻率匹配的評估
        無源晶振具有固定的負載電容CL,為防止頻偏,需要保證起振電容(Cg||Cd)+Cs = CL;
        Cs為板子上的雜散電容,一般取2~3pF;
        若該款無源晶振的負載電容CL為15pF,取Cs為3pF,那麼需要配置的起振電容Cg = Cd = 24pF。

2.2、振盪裕度(負阻抗)的評估
        測出負阻抗的值,當負阻抗達到3~5倍以上的等效電阻後,則該晶振電路的振盪裕度滿足需求。負阻抗為RN,其測試方法如下圖所示。逐漸增大r,直到晶振電路不起振。若此時|-RN| / Re > 3~5倍,則該晶振電路的振盪裕度滿足需求。若振盪裕度不滿足需求,則可要求晶振供應商提供等效電阻Re較小的無源晶振。

2.3、激勵功率的評估
        激勵功率指石英晶體單元振盪時所消耗的電力。通常,激勵功率最好控制在石英晶體單元的規格引數內。激勵功率過大時將引起振盪頻率的變動、穩定度下降、等效電路引數變化或頻率失真等現象。激勵功率偏高還可能導致反覆出現異常振盪、引發故障的惡果。
        激勵功率為:P = I*I*Re
        這裡的 I 是流過石英晶體單元的電流, Re 是石英晶體單元帶負載時的等效電阻。 如果激勵功率超過了規格引數,就需要調整振盪電路的常數,使流過石英晶體單元的電流變小。降低 Cg 或 Cd 可使激勵功率變小,但振盪電路的負載電容也將隨之而變。最簡單的方法是增大 Rd,但損失將隨之增大、負阻抗將變小。

備註:1、有源晶振不存在頻率匹配、振盪裕度、激勵功率這3個問題,因為有源晶振的晶體振盪單元和IC已經整合固定了,所以                   這3個引數是固定的;
           2、一般產品的無源晶振電路並不會做以上3個方面的評估,若要評估,需送至晶振供應商的晶振實驗室進行評估,因為一 般的測量儀器會測試不準。

3、石英晶體振盪器(有源晶振)電路的噪聲來源及其對策

3.1、一般情況下,石英振盪器及其周圍電路的噪聲來自以下三大類,如下圖所示:
        1、來自電源的噪聲
        2、來自輸出線路的噪聲
        3、來自石英晶體振盪器的噪聲


        1~3所示的噪音釋放量與流過的電流量和電流的環路的大小成正比。電流量越大,或者電流環路越大,噪音的釋放量越多。
        石英晶體振盪器及其周圍電路在流過的電流量與電流環路大小方面一般存在著以下關係:
        電流量:               電源線 = 石英晶體振盪器 > 輸出線路
        電流環路的大小:輸出線路 > 電源線 > 石英晶體振盪器
        從上述關係來看,在石英晶體振盪器及其周圍電路所產生的噪音中,輸出線路所產生的最多,其次是電源線,而石英晶體振盪器本身所釋放的噪音量和這兩種噪音相比極小。

3.2、降低噪音的3種基本方法:
        1、設定穩定的電源線和接地線(最好有單獨的電源層和接地層)
        2、對電源噪聲進行過濾(配置0.01uF~0.1uF的旁路電容,其PCB佈線參考5.4小節內容)
        3、在基板上配置穩定的輸出路線(進行匹配,有源端串聯匹配和終端並聯匹配兩種。一般而言,晶振輸出的線路非常短,                沒有進行匹配的必要)

4、晶體振盪單元(無源晶振)的佈線規則

4.1、振盪電路(振盪單元、振盪電容)應配置在振盪IC附近;
4.2、晶振電路下面的各層都需要鋪地,不能放置器件和走線,尤其是高頻訊號線路;
4.3、晶振電路做包地處理時需要打大量地孔,否則包地無意義;
4.4、四腳晶振,建議晶振走線從內部走,減小晶振的環路,如下圖所示。

5、石英晶體振盪器(有源晶振)的佈線規則

5.1、振盪電路(振盪單元、振盪電容)應配置在振盪IC附近;
5.2、晶振電路下面的各層都需要鋪地,不能放置器件和走線,尤其是高頻訊號線路;
5.3、晶振電路做包地處理時需要打大量地孔,否則包地無意義;
5.4、電源先經過旁路電容,然後再進入晶振,如下圖所示(高頻噪聲通常直線前進)。