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每年,數(shù)十億種晶體被制造出來,并且?guī)缀踉诿總€電子設備中使用。網(wǎng)絡、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/相位噪聲降低。其中一些點與振蕩器的化學成分有關(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擾。
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。任何電容器都應穩(wěn)定并且具有足夠高的自諧振頻率(理想情況下,應超過時鐘信號的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。
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。計算機主板及其外邊設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。幸運的是,PCB EDA程序提供了設計規(guī)則功能,這些功能使這種類型的布線變得相當容易。
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附近的參考平面之間電容耦合,在特定的諧振下它會像強壯的貼片天線一樣發(fā)射
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附近的參考平面之間電容耦合,在特定的諧振下它會像強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頻時鐘一起運行的組件。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,進而降低感應寬帶噪聲的強度。擴頻時鐘涉及對時鐘輸出進行頻率調(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。
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