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晶振在PCB板上如何布局?都是精髓!

億佰特物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家 ? 2022-11-14 09:39 ? 次閱讀
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晶振數(shù)字電路設(shè)計中關(guān)鍵先生,通常在電路設(shè)計當(dāng)中,晶振都當(dāng)作數(shù)字電路中的心臟部分,數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘信號,而恰好晶振便是直接控制整個系統(tǒng)正常啟動的那個關(guān)鍵按鈕,可以說要是有數(shù)字電路設(shè)計的地方就可以看到晶振。

晶振的定義

晶振一般是指石英晶體振蕩器石英晶體諧振器兩種,也可以直接叫晶體振蕩器。都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。它的工作原理是這樣的:在晶體兩個電極上加上電場后,晶體會發(fā)生機械變形,相反的,若是在晶體的兩端加上機械壓力后,晶體又會產(chǎn)生電場。這種現(xiàn)象是可逆的,所以利用晶體的這種特性,在晶體兩端加上交變電壓,晶片就會產(chǎn)生機械振動,同時又會產(chǎn)生交變電場。但是晶體產(chǎn)生的這種振動和電場一般都會很小,但只要在某個特定頻率下,振幅就會明顯增大,就類似我們電路設(shè)計者常能見到的LC回路諧振同理。3db70a2c-61ac-11ed-b116-dac502259ad0.png晶振分類:①無源晶振無源晶振為晶體,一般是2引腳的無極性器件(部分無源晶振有無極性的固定引腳)。
無源晶振一般需借助于負(fù)載電容形成的時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(正弦波信號)。②有源晶振有源晶振為振蕩器,通常是4個引腳。有源晶振不需要CPU的內(nèi)部振蕩器,產(chǎn)生方波信號。有源晶振供電便能產(chǎn)生一個時鐘信號。有源晶振信號穩(wěn)定,質(zhì)量較好,而且連接方式比較簡單,精度誤差比無源晶振更小,價格比無源晶振更貴。

晶振的等效電路

事實上,晶振的作用就像一個串聯(lián)的RLC電路。晶振的等效電路顯示了一個串聯(lián)的RLC電路,表示晶振的機械振動,與一個電容并聯(lián)表示與晶振的電氣連接,而晶振振蕩器便朝著串聯(lián)諧振運行工作。3dceaf2e-61ac-11ed-b116-dac502259ad0.png其中,R是ESR等效串聯(lián)電阻,L和C分別是等效電感和電容,Cp為寄生電容。

晶振的基本參數(shù)

一般晶振的基本參數(shù)有:工作溫度、精度值、匹配電容、封裝形式、核心頻率等。晶振的核心頻率一般晶振頻率的選擇取決于頻率元器件的要求規(guī)定,像MCU一般是一個范圍,大部分都是從4M到幾十M不等。晶振的精度:晶振的精度普遍在±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPM等,高精度的時鐘芯片一般在±5PPM之內(nèi),一般運用都會選擇在±20PPM左右。晶振的匹配電容通常通過調(diào)整匹配電容的值,可以更改晶振的核心頻率,目前在做高精度晶振時,都是用該方法來進(jìn)行調(diào)整。

晶振在PCB的設(shè)計布局

作為數(shù)字電路中的心臟,晶振影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)晶振的選擇,決定了數(shù)字電路的成敗。由于晶振內(nèi)部存在石英晶體,受到外部撞擊等情況造成晶體斷裂,很容易造成晶振不啟振,所以通常在電路設(shè)計時,要考慮晶振的可靠安裝,其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等地方。PCB對晶振布局時通常注意一下幾點:①晶振不能距離板邊太近、晶振的外殼必須接地,否則易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。在板卡設(shè)計時尤其需要注意這點。外殼接地可以避免晶振向外輻射,同時可以屏蔽外來信號對晶振的干擾。如果一定要布置在PCB邊緣,可以在晶振印制線邊上再布一根GND線,同時在包地線上間隔一段距離就打過孔,將晶振包圍起來。3de4d466-61ac-11ed-b116-dac502259ad0.png②晶振下方不能布信號線,易導(dǎo)致信號線耦合晶振諧波雜訊。
保證完全鋪地,同時在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線,這樣可以防止晶振干擾其他布線、元器件和層的性能。③若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流向排布,會使濾波器的濾波效果變差。耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳,按電源流入方向,依容值從大到小順序擺放。④時鐘信號的走線應(yīng)盡量簡短,線寬大一些,在布線長度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。以下圖布局為例,晶振的布局方式會相對更優(yōu):①晶振的濾波電容與匹配電路靠近MCU芯片位子,遠(yuǎn)離板邊。②晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,靠近晶振擺放整齊緊湊。③晶振靠近芯片處擺放,到芯片的走線盡量短而直。在電路系統(tǒng)中,高速時鐘信號線優(yōu)先級最高。時鐘線是一個敏感信號,頻率越高,要求走線盡量簡短,以保證信號的失真度達(dá)到最小。3dfb1ca8-61ac-11ed-b116-dac502259ad0.png

因為現(xiàn)在很多電路中,系統(tǒng)晶振時鐘頻率很高,所以干擾諧波出來的能量也強,諧波除了會從輸入與輸出兩條線導(dǎo)出來外,也會從空間輻射出來,這也導(dǎo)致若PCB中對晶振的布局不夠合理,會很容易造成很強的雜散輻射問題,并且一旦產(chǎn)生,很難在通過其他方法來解決,所以在PCB板布局時對晶振和CLK信號線布局非常重要。

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