什麼是晶振?晶振在PCB板上如何佈局?全是精髓!
2023-01-21由 億佰特物聯網應用 發表于 農業
十六進位制一般用於什麼場合
晶振是數位電路設計中關鍵先生,通常在電路設計當中,晶振都當作數位電路中的心臟部分,數位電路的所有工作都離不開時鐘訊號,而恰好晶振便是直接控制整個系統正常啟動的那個關鍵按鈕,可以說要是有數位電路設計的地方就可以看到晶振。
一.晶振的定義
晶振一般是指石英晶體振盪器和石英晶體諧振器兩種,也可以直接叫晶體振盪器。都是利用石英晶體的壓電效應制作而成。
它的工作原理是這樣的:在晶體兩個電極上加上電場後,晶體會發生機械變形,相反的,若是在晶體的兩端加上機械壓力後,晶體又會產生電場。這種現象是可逆的,所以利用晶體的這種特性,在晶體兩端加上交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時又會產生交變電場。但是晶體產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,就類似我們電路設計者常能見到的LC迴路諧振同理。
二.晶振的分類
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)。
無源晶振一般需藉助於負載電容形成的時鐘電路才能產生振盪訊號(正弦波訊號)。
②有源晶振
有源晶振為振盪器,通常是4個引腳。有源晶振不需要CPU的內部振盪器,產生方波訊號。有源晶振供電便能產生一個時鐘訊號。
有源晶振訊號穩定,質量較好,而且連線方式比較簡單,精度誤差比無源晶振更小,價格比無源晶振更貴。
三.晶振的等效電路
事實上,晶振的作用就像一個串聯的RLC電路。
晶振的等效電路顯示了一個串聯的RLC電路,表示晶振的機械振動,與一個電容並聯表示與晶振的電氣連線,而晶振振盪器便朝著串聯諧振執行工作。
其中,R是ESR等效串聯電阻,L和C分別是等效電感和電容,Cp為寄生電容。
四.晶振的基本引數
一般晶振的基本引數有: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於頻率元器件的要求規定,像MCU一般是一個範圍,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,高精度的時鐘晶片一般在±5PPM之內,一般運用都會選擇在±20PPM左右。
晶振的匹配電容:通常透過調整匹配電容的值,可以更改晶振的核心頻率,目前在做高精度晶振時,都是用該方法來進行調整。
五.晶振在PCB板的設計佈局
作為數位電路中的心臟,晶振影響著整個系統的穩定性,系統晶振的選擇,決定了數位電路的成敗。
由於晶振內部存在石英晶體,受到外部撞擊等情況造成晶體斷裂,很容易造成
晶振不起
振,所以通常在電路設計時,要考慮晶振的可靠安裝,其位置儘量不要靠近板邊、裝置外殼等地方。PCB對晶振佈局時通常注意以下幾點:
①晶振不能距離板邊太近、晶振的外殼必須接地
,否則易導致晶振輻射雜訊。
在板卡設計時尤其需要注意這點。外殼接地可以避免晶振向外輻射,同時可以遮蔽外來訊號對晶振的干擾。如果一定要佈置在PCB邊緣,可以在晶振印製線邊上再布一根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。
②晶振下方不能布訊號線
,否則易導致訊號線耦合晶振諧波雜訊。
保證完全鋪地,同時在晶振的300mil範圍內不要佈線,這樣可以防止晶振干擾其他佈線、元器件和層的效能。
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訊號流向排布
,會使濾波器的濾波效果變差。
耦合電容應儘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時鐘訊號的走線應儘量簡短,線寬大一些
,在佈線長度和遠離發熱源上尋找平衡。
以下圖佈局為例,晶振的佈局方式會相對更優:
①晶振的濾波電容與匹配電路靠近MCU晶片位置,遠離板邊。
②晶振的濾波電容與匹配電阻按照訊號流向排布,靠近晶振擺放整齊緊湊。
③晶振靠近晶片處擺放,到晶片的走線儘量短而直。
在電路系統中,高速時鐘訊號線優先順序最高。時鐘線是一個敏感訊號,頻率越高,要求走線儘量簡短,以保證訊號的失真度達到最小。
因為現在很多電路中,系統晶振時鐘頻率很高,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匯出來外,也會從空間輻射出來,這也導致若PCB中對晶振的佈局不夠合理,會很容易造成很強的雜散輻射問題,並且一旦產生,很難再透過其他方法來解決,所以在PCB板佈局時對晶振和CLK訊號線佈局非常重要。