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晶振的PCB布局

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振荡器为数字电路的运行提供基础参考时钟信号,振荡电路可以使用多种技术实现,其中以石英晶体为基础的振荡器最为流行。石英振荡器的基本原理是基于压电效应,我们通过向压电材料施加电压,从而使得材料发生机械变形,并且当电压被移除时,材料会恢复到原来的状态并在其上产生反向电压,通过把这种技术应用于振荡电路,就会产生持续振荡,这是当前应用较多的晶体振荡器的基本的原理,其所需的封装会因振荡器类型和规格的不同而有很大差异。简单的时钟振荡器和一些 TCXO 可以封装在几个平方毫米的小封装中,而一些 OCXO 的封装可能大几百个平方毫米,对于某些特定设计甚至更大。尽管某些通孔封装,比如双列直插的一半用于较大的晶振比如OCXO 或专用的TCXO,但大多数当前设计都使用表面贴装封装。
晶体产生的振荡频率产生稳定的脉冲,以提供调节数字电路的时钟信号。对于车规应用,医疗应用,甚至航天应用,由于空间限制,需求的振荡器更小,同时也要更可靠,所以与晶体振荡器相关的 PCB 布局也是十分重要的。
我们需要明确一个点是,XTAL振荡器电路的布置目标是确保时钟信号与电路板上的其他组件正确隔离,并且振荡器输出端的漂移和抖动以及相位噪声最小。振荡器输出频率的稳定性除了与振荡器自身有关系之外,比如老化以及器件构成物质石英,还有一些与PCB的布局有关,比如PDN 去耦不充分,所谓的PDN就是电源分配网络,这也可能是抖动的主要来源之一。
首先关于振荡器的位置,我们需要将振荡器放置在远离其他高频/高速信号的地方。目标是减少 XTAL 振荡器电路,特别是输出引脚和其他 PCB 电路之间的串扰,串扰主要包括电容串扰以及电感串扰,主要是和其他干扰源或者敏感电路拉大距离,如果有需要的话,我们可以通过使用覆铜将时钟与其他电路隔离,当然了注意不要在时钟下方的表层覆铜,注意这里说的是表层,也就是紧挨晶振的那一层铜皮,并且我们还可以在晶振外围走一个地保护环,也就是包地处理,同时只需使用内部接地层。
另一方面是尽量防止来自其他信号的返回电流在时钟输出下方传播,原因是由于时钟频率较高,容易对其他信号形成串扰,当然了也担心其他信号干扰时钟信号。接下来是主要将比较关键的输入采样信号的电容器放置在靠近时钟组件输出引脚的位置。并且我们所采用的电容器都应该稳定性高并具有足够高的自谐振频率,根据经验来选,最好超过时钟信号的5 次谐波以上。保持连接晶体振荡器、电容器和 IC引脚的走线尽可能短和尽可能宽。这不仅会降低噪声耦合的可能性,还会降低寄生电感和电阻,因为走线短而宽可以降低走线的电感以及电容,从而降低串扰。当然了走线不要有直角,这可能会改变它们的特性阻抗,从而导致反射。

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