石英晶體震蕩器周圍電路的噪聲發(fā)生源

石英晶體震蕩器是信號源的核心所在。

在構(gòu)建各種電子設(shè)備及通訊系統(tǒng)設(shè)備等過程中。石英晶體震蕩器周圍的電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)對系統(tǒng)能否最大程度發(fā)揮功能起著重要的作用。特別是石英晶體震蕩器周圍電路，由于將在搭載數(shù)字電路的基板上以最高速度開始工作，較易產(chǎn)生噪音，所以設(shè)計(jì)電路之際必須對此十分注意。作為降低噪音電路設(shè)計(jì)的指南，本文將就使用石英晶體震蕩器的周圍電路設(shè)計(jì)中的噪音對策進(jìn)行講解。

一 石英晶體震蕩器周圍電路的噪聲發(fā)生源

圖1表示一般情況下石英晶體震蕩器及其周圍電路所產(chǎn)生的噪音，噪音發(fā)生源分為三大類：

來自電源線的噪音

來自輸出線路的噪音

來自石英晶體震蕩器的噪音

通常所說的噪音指上述三種噪音的總稱。以下集中說明這三種噪音及其對策。

A 來自電源線的噪聲

在石英晶體震蕩器的工作過程中，電源線中將產(chǎn)生脈動(dòng)。電源線起到天線的作用將脈動(dòng)作為噪聲釋放。防止電源噪聲時(shí)重要的是如何阻止或吸收石英晶體震蕩器所產(chǎn)生的脈動(dòng)流入電源線。為此而采取的對策可防止其它元器件所產(chǎn)生的外來噪音進(jìn)入石英晶體震蕩器，因此亦可實(shí)現(xiàn)石英晶體震蕩器的工作穩(wěn)定。

B 來自輸出線路的噪音

來自輸出線路的噪音是指輸出線路起到天線的作用將石英晶體震蕩器輸出的信號作為噪聲釋放。這種噪聲的對策是使輸出波形既符合要求又難以釋放噪聲的輸出線路。

C 來自石英晶體震蕩器的噪音

來自石英晶體震蕩器的噪音是指石英晶體震蕩器內(nèi)部的集成電路與布線所釋放的噪音。這種噪音的對策是使石英晶體震蕩器的電源供給保持穩(wěn)定，且在保證要求的輸出波形的基礎(chǔ)上使石英晶體震蕩器穩(wěn)定工作。這些是電源線及輸出線路共同的對策。

以上所示的各發(fā)生源的噪聲釋放量與流過的電流量和電流環(huán)路的大小成正比。電流量越大，或者電流環(huán)路越大，噪聲的釋放量越多。

石英晶體震蕩器及其周圍電路在流過的電流量與電流環(huán)路大小方面一般存在著下面關(guān)系：

電流量：電源線=石英晶體震蕩器>輸出線路

電流環(huán)路的大?。狠敵鼍€路>電源線>石英晶體震蕩器

從上述關(guān)系中可以得出，在石英晶體震蕩器及周圍電路所產(chǎn)生的噪音中，輸出線路所產(chǎn)生的最多，其次是電源線，而石英晶體震蕩器本身所釋放的噪音量與這兩種噪音相比極小。

二 噪聲對策

降低噪聲有以下三種基本方法：

設(shè)置穩(wěn)定的電源線與接地線

對電源噪聲進(jìn)行過濾

在基板上配置穩(wěn)定的輸出線路

各方法具體說明如下：

A 穩(wěn)定的電源線與接地線

穩(wěn)定的電源線與接地線是指大范圍頻帶（特別是高頻）中的阻抗極小，且任何點(diǎn)上電平相同的導(dǎo)體。接地線是電路的標(biāo)準(zhǔn)電平，所以最需要保持穩(wěn)定，其電路設(shè)計(jì)應(yīng)做到表面積大且無寬度變窄之處。采用多層板時(shí)，電源線與接地線應(yīng)當(dāng)分別采用獨(dú)立的布線層，有連接部分時(shí)應(yīng)增大接觸面積，以便在高頻帶中亦保持較小的阻抗。

B電源線濾波

在電源線及接地線中設(shè)置濾波器，以防石英晶體震蕩器的噪聲流入電源線或接地線，或者防止其它電路所產(chǎn)生的噪聲通過電源線流入石英晶體震蕩器。電源線和接地線一般采用旁路電容器作為濾波器。

旁路電容常用于去除噪音。它可以降低交流電源的阻抗使電路穩(wěn)定工作，還可以吸收電源線中的噪聲。大多數(shù)噪聲問題可通過選擇安裝適宜常數(shù)的旁路電容器來解決。旁路電容器的適宜常數(shù)設(shè)定與安裝方法如下：

(1)旁路電容器容量

通常使用的旁路電容器容量大致在0.1至10μF之間。電容器容量盡可能設(shè)定為較小的數(shù)值。

(2)旁路電容的安裝

旁路電容器應(yīng)盡可能安裝在靠近石英晶體振蕩器電源的地方。布線圖案的距離越長寄生電感越大，高頻側(cè)的阻抗隨之變大。布線應(yīng)先連接旁路電容器后連接到電源線。這樣噪聲必將先通過旁路電容器，從而提高噪聲去除效果。

而且，旁路電容器的安裝應(yīng)避免如圖2a所示的布線圖案。高頻噪聲通常直線前進(jìn)，如果采用圖2a所示的布線圖案，噪聲將不通過旁路電容器。為此請使用類似圖2b的布線圖案。

C 配置穩(wěn)定的輸出線路

穩(wěn)定的輸出線路是指，能夠把石英晶體諧振器輸出的波形在不失真的情況下準(zhǔn)確傳輸?shù)捷斎雽ο蟮脑骷?，并能夠盡可能減少噪聲釋放的線路。

穩(wěn)定的輸出線路的設(shè)置基礎(chǔ)如圖3a所示，應(yīng)確保輸入側(cè)所需的tr、tf、VOH、VOL等波形特性：且如圖3b的輸出波形所示，應(yīng)當(dāng)去除不必要的信號，例如過沖、下沖、振影、或反射波等。而且，還應(yīng)降低輸出線路的作為天線釋放噪聲的效率，使噪聲難于釋放。

避免輸出波形失真的對策有以下幾種方法：

a.連接串聯(lián)電阻

石英晶體振蕩器連接輸入對象的元器件時(shí)，通常將產(chǎn)生過沖、下沖、振影等波形變形。這些變形的波形中含有振蕩頻率的約3~7倍的射頻成分，將引發(fā)噪聲，所以必須去除。為了去除射頻成份，應(yīng)在石英晶體振蕩器的輸出端與輸出線路之間連接串聯(lián)電阻，如圖4所示。

所插入的電阻值（Rs）等于輸出線路的阻抗（Z0）與石英晶體振蕩器的輸出阻抗（R0）之差。串聯(lián)電阻最佳值亦可通過實(shí)驗(yàn)得出。試驗(yàn)方法是邊用示波器等觀察輸出波形，邊將串聯(lián)電阻值從小逐漸調(diào)大，得出過沖、下沖或振影等消失時(shí)的電阻值。

b.連接終端電阻

終端電阻是否連接取決于使用的數(shù)字或模擬信號種類，以及輸出波形的時(shí)鐘線的種類。輸出波形的失真一般出現(xiàn)在輸出線路的阻抗與輸入對象元器件的輸入阻抗不匹配的情況下。

非匹配狀態(tài)的行進(jìn)波在輸入端被反射后，反射波與行進(jìn)波相互重疊使得波形出現(xiàn)紊亂，從紊亂部分產(chǎn)生高頻的噪聲。將石英晶體振蕩器的輸出分支傳送到多只元器件使用時(shí)，上述波形失真或引起觸發(fā)誤差。因此阻抗匹配十分重要。

為了防止從輸入端的反射，應(yīng)當(dāng)端接終端電阻使得輸入端的阻抗等于輸出路線的阻抗。并聯(lián)終端匹配如圖5所示，可分為單電阻和雙電阻

c.連接濾波器

通?？梢赃m用串聯(lián)電阻或終端電阻對輸出波形進(jìn)行整形。如由此仍然無法完全解決問題，則使用濾波器。使用濾波器可去除高頻率的噪聲，但tr、tf將變大（脈沖前后沿變圓）。因此必須選擇能夠滿足tr、tf特性的濾波器。尚需注意的是，如果在濾波其中使用了電容較大的電容器，則將使電流量變大，反而促使釋放的噪聲變大。

d.輸出線路的阻抗匹配

為了減少輸出線路中的波形反射，需要盡量將輸出線路的阻抗保持一定。如圖6所示，可以將輸出線路電路圖案設(shè)計(jì)成45度拐角或若有可能設(shè)計(jì)成圓形拐角，避免使用直角，以此使輸出線路的阻抗保持一定。還應(yīng)避免使用通孔和T型接頭。

以上說明了有關(guān)噪聲的對策，最后介紹減少噪聲釋放的兩項(xiàng)重要方法。

a.縮短輸出線路

輸出線路是電路中最容易釋放噪聲的部分。為此，在設(shè)計(jì)電路圖案之際，應(yīng)當(dāng)最優(yōu)先設(shè)計(jì)輸出線路部分，采用長度最短、無阻抗變動(dòng)的最佳輸出線路圖案?？s短后的輸出線路布線的諧振頻率將變得更高。輸出的信號隨頻率增大而衰減，從而導(dǎo)致釋放的噪聲減少。

B.縮小電流環(huán)路

如之前所述，來自輸出線路的噪聲釋放量與電流環(huán)路的大小成正比。因此，必須盡量縮短石英晶體振蕩器和輸入元器件的輸出線路與接地線長度，故而亦可采用在輸出線路的背面印刷接地線的方法。