詳解XTAL振蕩器電路設(shè)計(jì)和布局技巧

每年，數(shù)十億種晶體被制造出來(lái)，并且?guī)缀踉诿總€(gè)電子設(shè)備中使用。網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字手表甚至微波中的數(shù)字和模擬子系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的振蕩器，以實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)并在數(shù)字電路中移動(dòng)數(shù)據(jù)。除了XTAL振蕩器電路布局之外，還需要選擇合適的晶振，以提供穩(wěn)定的時(shí)序。

在市場(chǎng)上可以找到的XTAL的制造頻率范圍為?10kHz至?100MHz。這些組件具有不同程度的固有抖動(dòng)和溫度敏感度，為系統(tǒng)選擇正確的振蕩器對(duì)于確保數(shù)字和模擬電路的準(zhǔn)確時(shí)序至關(guān)重要。隨著頻率增加到GHz范圍，將需要改變策略并為系統(tǒng)選擇高度穩(wěn)定的參考振蕩器。這是需要了解的XTAL振蕩器電路設(shè)計(jì)和組件選擇，以及何時(shí)需要開(kāi)始考慮更穩(wěn)定的高頻振蕩器。

XTAL振蕩器電路布局技巧

布置XTAL振蕩器電路的目的是確保時(shí)鐘信號(hào)與其他組件正確隔離，并確保輸出上的漂移和抖動(dòng)/相位噪聲最小。其中一些點(diǎn)與振蕩器的化學(xué)成分有關(guān)(陶瓷與石英)，而某些與布局有關(guān)(PDN去耦不足可能是造成抖動(dòng)的主要來(lái)源之一)。在下面的列表中整理了一些用于布置XTAL振蕩器電路的基本技巧。

1.將振蕩器遠(yuǎn)離其他高頻/高速信號(hào)。目的是減少XTAL振蕩器電路(特別是輸出引腳)與其他PCB電路之間的電容性串?dāng)_。

2.如果需要，請(qǐng)使用銅粉將時(shí)鐘與其他電路隔離。請(qǐng)勿將銅倒在時(shí)鐘下方的表層上。相反，只需使用內(nèi)部接地層即可。

3.嘗試防止其他信號(hào)的返回電流在時(shí)鐘輸出下方傳播。

4.將任何電容器放置在輸出上靠近時(shí)鐘組件輸出引腳的位置。任何電容器都應(yīng)穩(wěn)定并且具有足夠高的自諧振頻率(理想情況下，應(yīng)超過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的3至5次諧波)。

系統(tǒng)時(shí)鐘與嵌入式和同步時(shí)鐘的比較

如果將XTAL振蕩器電路用作一系列點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能塊的系統(tǒng)時(shí)鐘，則在布線時(shí)鐘線時(shí)會(huì)遇到困難，因?yàn)樾枰_保時(shí)鐘信號(hào)以相同的方式到達(dá)每個(gè)組件時(shí)間作為信號(hào)。目的是確保數(shù)據(jù)信號(hào)在正確的時(shí)間鎖存在接收器中。正確執(zhí)行此操作需要考慮組件中的傳播延遲，這隨著點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈中組件數(shù)量的增加而變得極為困難。

在這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)渲惺褂孟到y(tǒng)時(shí)鐘需要超高精度的時(shí)序，而傳統(tǒng)的EDA工具可能很難做到這一點(diǎn)。由于鏈中每個(gè)組件的傳播延遲，會(huì)出現(xiàn)時(shí)序問(wèn)題。

這個(gè)困難是許多組件使用嵌入式時(shí)鐘的原因，其中時(shí)鐘信號(hào)被嵌入數(shù)據(jù)流的前幾位。另一種方案是源同步時(shí)鐘，其中時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)流并行路由。計(jì)算機(jī)主板及其外圍設(shè)備將使用這兩種時(shí)鐘方案，因?yàn)殡S著板子尺寸的增加，正確路由單個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘變得更加困難。在組件之間(例如在PCIe子系統(tǒng)中)路由的信號(hào)將需要使用與并行數(shù)據(jù)總線相同的長(zhǎng)度和時(shí)序匹配技術(shù)來(lái)路由。幸運(yùn)的是，PCBEDA程序提供了設(shè)計(jì)規(guī)則功能，這些功能使這種類型的布線變得相當(dāng)容易。

XTAL振蕩器的EMI

在許多系統(tǒng)中，已知XTAL振蕩器電路是有問(wèn)題的EMI來(lái)源。在EMC測(cè)試期間，這可能表現(xiàn)為輻射的近場(chǎng)EMI或遠(yuǎn)場(chǎng)EMI，下游功能塊中的噪聲或抖動(dòng)。根據(jù)高頻XTAL振蕩器電路的接地策略，您可能會(huì)在時(shí)鐘下方無(wú)意間創(chuàng)建寬帶天線。

注意不要將大塊的接地銅倒在時(shí)鐘下方。電流將在該銅澆注物和最近的參考平面之間電容耦合，在特定的諧振下它會(huì)像強(qiáng)壯的貼片天線一樣發(fā)射(有關(guān)正確布線的一個(gè)很好的例子，請(qǐng)參見(jiàn)上圖)。

降低時(shí)鐘EMI的一種選擇是使用與擴(kuò)頻時(shí)鐘一起運(yùn)行的組件。該技術(shù)可將功率分散到很寬的頻率范圍內(nèi)，但會(huì)降低高速信號(hào)的峰值能量，進(jìn)而降低感應(yīng)寬帶噪聲的強(qiáng)度。擴(kuò)頻時(shí)鐘涉及對(duì)時(shí)鐘輸出進(jìn)行頻率調(diào)制，然后在頻率和相位處于特定值時(shí)觸發(fā)下游電路(請(qǐng)參見(jiàn)下文)。這通常消除了對(duì)EMI濾波器，鐵氧體磁珠，線圈和扼流圈的需求。

擴(kuò)頻時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)功率譜和EMI降低

溫度補(bǔ)償

如果電路板需要在一定溫度范圍內(nèi)以高精度時(shí)序運(yùn)行，那么將需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)腦TAL振蕩器電路(TCXO)。這些組件在RF系統(tǒng)和高速數(shù)字系統(tǒng)中很常見(jiàn)。這些組件在溫度補(bǔ)償反饋環(huán)路內(nèi)使用一個(gè)變?nèi)?a target="_blank">二極管。隨著溫度的變化，晶體的諧振頻率也隨之變化。變?nèi)荻O管允許將諧振頻率補(bǔ)償回期望值。這些組件也可用作具有寬輸出范圍的壓控設(shè)備。這種電路的一個(gè)例子如下所示。

XTAL振蕩器的溫度補(bǔ)償電路

當(dāng)需要補(bǔ)償溫度變化時(shí)，使用電壓控制的TCXO可提供一個(gè)額外的拉桿。然后可以將輸出饋入VCO以進(jìn)行乘法運(yùn)算，直至達(dá)到更高的頻率。這些組件的工作頻率約為100MHz，并允許進(jìn)行低至ppm級(jí)的控制/補(bǔ)償。

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