詳解XTAL振蕩器電路設(shè)計和布局技巧

每年，數(shù)十億種晶體被制造出來，并且?guī)缀踉诿總€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，以實現(xiàn)精確定時并在數(shù)字電路中移動數(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)定的時序。

在市場上可以找到的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和溫度敏感度，為系統(tǒng)選擇正確的振蕩器對于確保數(shù)字和模擬電路的準(zhǔn)確時序至關(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)計和組件選擇，以及何時需要開始考慮更穩(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鐘信號與其他組件正確隔離，并確保輸出上的漂移和抖動/相位噪聲最小。其中一些點與振蕩器的化學(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的主要來源之一)。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。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，請使用銅粉將時鐘與其他電路隔離。請勿將銅倒在時鐘下方的表層上。相反，只需使用內(nèi)部接地層即可。

3.嘗試防止其他信號的返回電流在時鐘輸出下方傳播。

4.將任何電容器放置在輸出上靠近時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)超過時鐘信號的3至5次諧波)。

系統(tǒng)時鐘與嵌入式和同步時鐘的比較

如果將XTAL振蕩器電路用作一系列點對點功能塊的系統(tǒng)時鐘，則在布線時鐘線時會遇到困難，因為需要確保時鐘信號以相同的方式到達(dá)每個組件時間作為信號。目的是確保數(shù)據(jù)信號在正確的時間鎖存在接收器中。正確執(zhí)行此操作需要考慮組件中的傳播延遲，這隨著點對點鏈中組件數(shù)量的增加而變得極為困難。

在這種點對點拓?fù)渲惺褂孟到y(tǒng)時鐘需要超高精度的時序，而傳統(tǒng)的EDA工具可能很難做到這一點。由于鏈中每個組件的傳播延遲，會出現(xiàn)時序問題。

這個困難是許多組件使用嵌入式時鐘的原因，其中時鐘信號被嵌入數(shù)據(jù)流的前幾位。另一種方案是源同步時鐘，其中時鐘信號與數(shù)據(jù)流并行路由。計算機(jī)主板及其外圍設(shè)備將使用這兩種時鐘方案，因為隨著板子尺寸的增加，正確路由單個系統(tǒng)時鐘變得更加困難。在組件之間(例如在PCIe子系統(tǒng)中)路由的信號將需要使用與并行數(shù)據(jù)總線相同的長度和時序匹配技術(shù)來路由。幸運(yùn)的是，PCBEDA程序提供了設(shè)計規(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振蕩器電路是有問題的EMI來源。在EMC測試期間，這可能表現(xiàn)為輻射的近場EMI或遠(yuǎn)場EMI，下游功能塊中的噪聲或抖動。根據(jù)高頻XTAL振蕩器電路的接地策略，您可能會在時鐘下方無意間創(chuàng)建寬帶天線。

注意不要將大塊的接地銅倒在時鐘下方。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像強(qiáng)壯的貼片天線一樣發(fā)射(有關(guān)正確布線的一個很好的例子，請參見上圖)。

降低時鐘EMI的一種選擇是使用與擴(kuò)頻時鐘一起運(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)，但會降低高速信號的峰值能量，進(jìn)而降低感應(yīng)寬帶噪聲的強(qiáng)度。擴(kuò)頻時鐘涉及對時鐘輸出進(jìn)行頻率調(diào)制，然后在頻率和相位處于特定值時觸發(fā)下游電路(請參見下文)。這通常消除了對EMI濾波器，鐵氧體磁珠，線圈和扼流圈的需求。

擴(kuò)頻時鐘可實現(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。這些組件在溫度補(bǔ)償反饋環(huán)路內(nèi)使用一個變?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，使用電壓控制的TCXO可提供一個額外的拉桿。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級的控制/補(bǔ)償。

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