如何處理EMC晶振超標(biāo)問題

我們常把晶振比喻為數(shù)字電路的心臟，這是因?yàn)椋瑪?shù)字電路的所有工作都離不開時(shí)鐘信號(hào)，晶振直接控制著整個(gè)系統(tǒng)，若晶振不運(yùn)作那么整個(gè)系統(tǒng)也就癱瘓了，所以晶振是決定了數(shù)字電路開始工作的先決條件。

我們常說的晶振，是石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會(huì)在晶體上產(chǎn)生電場(chǎng)。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。這種震動(dòng)和電場(chǎng)一般都很小，但是在某個(gè)特定頻率下，振幅會(huì)明顯加大，這就是壓電諧振，類似于我們常見到的LC回路諧振。

作為數(shù)字電路中的心臟，晶振在智能產(chǎn)品中是如何發(fā)揮作用的呢？以智能家居如空調(diào)、窗簾、安防、監(jiān)控等產(chǎn)品來說，都需要無線傳輸模塊，它們通過藍(lán)牙、WIFI或ZIGBEE等協(xié)議，將模塊從一端發(fā)到另一端，或直接通過手機(jī)控制，而晶振就是無線模塊里的核心元件，影響著整系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以選擇好系統(tǒng)使用的晶振，決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性，在使用和設(shè)計(jì)的時(shí)候我們需要小心處理：1、晶振內(nèi)部存在石英晶體，受到外部撞擊或跌落時(shí)易造成石英晶體斷裂破損，進(jìn)而造成晶振不起振，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等。2、在手工焊接或機(jī)器焊接時(shí)，要注意焊接溫度。晶振對(duì)溫度比較敏感，焊接時(shí)溫度不能過高，并且加熱時(shí)間盡量短。

合理的晶振布局可以抑制系統(tǒng)輻射干擾

一、問題描述

該產(chǎn)品為野外攝像機(jī)，內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲(chǔ)卡和電池五部分組成，外殼為塑膠殼，小板僅有兩個(gè)接口：DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">USB 接口。經(jīng)過輻射測(cè)試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。

原始測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

二、分析問題

而該晶振的問題在于以下兩點(diǎn)問題所導(dǎo)致的：

( 1 ) 晶振距離板邊太近，易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。

( 2 ) 晶振下方有布信號(hào)線，，這易導(dǎo)致信號(hào)線耦合晶振的諧波雜訊。

( 3 ) 濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號(hào)流向排布，使得濾波器件的濾波效果變差。

三、解決對(duì)策

根據(jù)分析得出以下對(duì)策：

（1）晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置，遠(yuǎn)離板邊；

（2）切記不能在晶體擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地；

（3）晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號(hào)流向排布，且靠近晶體擺放整齊緊湊；

（4）晶體靠近芯片處擺放，兩者間的走線盡量短而直。

可以參考如下圖布局方式：

經(jīng)整改后，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如下：

四、結(jié)論

現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振時(shí)鐘頻率高，干擾諧波能量強(qiáng)；干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來，還會(huì)從空間輻射出來，若布局不合理，容易造成很強(qiáng)的雜訊輻射問題，而且很難通過其他方法來解決，因此在PCB 板布局時(shí)對(duì)晶振和CLK 信號(hào)線布局非常重要。

晶振的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

晶振與晶體的區(qū)別

1)?晶振是有源晶振的簡(jiǎn)稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。晶體則是無源晶振的簡(jiǎn)稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal.
?????? 2) 晶體（無源）一般是直插兩個(gè)腳的無極性元件，需要借助時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)。常見的有49U、49S封裝。
?????? 3) 晶振（有源）一般是表貼四個(gè)腳的封裝，內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號(hào)。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別? ? ? ?

MEMS硅晶振采用硅為原材料，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面，有明顯于石英的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面：
?????? 1) 全自動(dòng)化半導(dǎo)體工藝（芯片級(jí)），無氣密性問題，永不停振。
?????? 2) 內(nèi)部包含溫補(bǔ)電路，無溫漂，-40—85℃全溫保證。
?????? 3) 平均無故障工作時(shí)間5億小時(shí)。
?????? 4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。
?????? 5) 支持1-800MHZ任一頻點(diǎn)，精確致小數(shù)點(diǎn)后5位輸出。
?????? 6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。
?????? 7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。
?????? 8) 支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。
?????? 9) 標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝，無需任何設(shè)計(jì)改動(dòng)，直接替代石英振蕩器。
????? 10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控（VCXO）、溫補(bǔ)(TCXO)等產(chǎn)品種類。
????? 11) 300%的市場(chǎng)增長(zhǎng)率，三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場(chǎng)。

晶體諧振器的等效電路

關(guān)鍵參數(shù)

1 標(biāo)稱頻率

指晶體元件規(guī)范中所指定的頻率，也即用戶在電路設(shè)計(jì)和元件選購時(shí)所希望的理想工作頻率。

2 調(diào)整頻差

基準(zhǔn)溫度時(shí)，工作頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率的最大允許偏離。常用ppm表示

如果ppm換算成百分號(hào)“%”為：1ppm=0.0001%。

但在大多數(shù)科技期刊中，已經(jīng)不使用ppm，而改用千分號(hào)“‰”，ppm換算成‰為：1ppm=0.001‰。

ppm是指part per million，同理b,t分別表示billion和trillion。

即1ppm=10^-6數(shù)量級(jí),類似的還有ppb,ppt等,分別是-9次和-12次。

3 溫度頻差
??????在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作頻率相對(duì)于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離。常用ppm表示。

4 老化率
?????? 指在規(guī)定條件下，由于時(shí)間所引起的頻率漂移。這一指標(biāo)對(duì)精密晶體是必要的，但它“沒有明確的試驗(yàn)條件，而是由制造商通過對(duì)所有產(chǎn)品有計(jì)劃抽驗(yàn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)督的，某些晶體元件可能比規(guī)定的水平要差，這是允許的”（根據(jù)IEC的公告）。老化問題的最好解決方法只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。

8 靜態(tài)電容（C0）
??????等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。

9 動(dòng)態(tài)電容（C1）
????? 等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積，另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。

10 動(dòng)態(tài)電感（L1）
??????等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電感。動(dòng)態(tài)電感與動(dòng)態(tài)電容是一對(duì)相關(guān)量。

13 品質(zhì)因數(shù)（Q）
????????品質(zhì)因數(shù)又稱機(jī)械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系：
??????????????????????????? Q=wL1/R1=1/wR1C1??????????????????
????? ? 如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且還會(huì)導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高，頻率越穩(wěn)定。

14 激勵(lì)電平（Level of drive）
?????? 是一種用耗散功率表示的，施加于晶體元件的激勵(lì)條件的量度。所有晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵(lì)電平的變化而變化，這稱為激勵(lì)電平相關(guān)性（DLD），因此訂貨規(guī)范中的激勵(lì)電平須是晶體實(shí)際應(yīng)用電路中的激勵(lì)電平。正因?yàn)榫w元件固有的激勵(lì)電平相關(guān)性的特性，用戶在振蕩電路設(shè)計(jì)和晶體使用時(shí)，必須注意和保證不出現(xiàn)激勵(lì)電平過低而起振不良或過度激勵(lì)頻率異常的現(xiàn)象。

15 激勵(lì)電平相關(guān)性（DLD）
???????由于壓電效應(yīng)，激勵(lì)電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振蕩，在這個(gè)過程中，加速度功轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性能，功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。
???????摩擦損耗與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度有關(guān)，當(dāng)震蕩不再是線性的，或當(dāng)石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點(diǎn)的拉伸或應(yīng)變、位移或加速度達(dá)到臨界時(shí)，摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。
?????? 加工過程中造成DLD不良的主要原因如下，其結(jié)果可能是不能起振：
?????? 1) 諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面；
?????? 2) 諧振子的機(jī)械損傷。主要產(chǎn)生原因?yàn)檠心ミ^程中產(chǎn)生的劃痕。
?????? 3) 電極中存在微?；蜚y球。主要產(chǎn)生原因?yàn)檎婵帐也粷崈艉湾兡に俾什缓线m。
?????? 4) 裝架是電極接觸不良；
?????? 5) 支架、電極和石英片之間存在機(jī)械應(yīng)力。

16 DLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的最大值與最小值之間的差值。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

17 RLD2(單位：歐姆)

不同激勵(lì)電平下的負(fù)載諧振電阻的平均值<與諧振電阻Rr的值比較接近，但要大一些>。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

18 寄生響應(yīng)
???? 所有晶體元件除了主響應(yīng)（需要的頻率）之外，還有其它的頻率響應(yīng)。減弱寄生響應(yīng)的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極，以及晶片加工工藝，但是同時(shí)會(huì)改變晶體的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)。?
??? 寄生響應(yīng)的測(cè)量
??? 1) SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值；

2) SPUR 在最大寄生處的電阻；
??? 3) SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離，用Hz或ppm表示。

晶體振蕩器的分類

1 Package石英振蕩器（SPXO）

不施以溫度控制及溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤?。頻率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。

2 溫度補(bǔ)償石英振蕩器（TCXO）
????? 附加溫度補(bǔ)償回路，減少其頻率因周圍溫度變動(dòng)而變化之石英振蕩器。

3 電壓控制石英振蕩器（VCXO）

控制外來的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。

4 恒溫槽式石英振蕩器（OCXO）

以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周圍溫度下也能保持極小變化量之石英振蕩器。

除了以上四種振蕩器外，隨著PLL、Digital、Memory技術(shù)的應(yīng)用，其他功能的多元化石英振蕩器也快速增加。

編輯：黃飛