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關(guān)于電子電路的核心-晶振的性能分析和介紹

華秋商城 ? 來源:djl ? 2019-08-30 17:30 ? 次閱讀
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我們常把晶振比喻為數(shù)字電路的心臟,這是因為,數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘信號,晶振直接控制著整個系統(tǒng),若晶振不運作那么整個系統(tǒng)也就癱瘓了,所以晶振是決定了數(shù)字電路開始工作的先決條件。

我們常說的晶振,是石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種,他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產(chǎn)生機械變形,反之,如果在晶體兩側(cè)施加機械壓力就會在晶體上產(chǎn)生電場。并且,這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性,在晶體的兩側(cè)施加交變電壓,晶片就會產(chǎn)生機械振動,同時產(chǎn)生交變電場。這種震動和電場一般都很小,但是在某個特定頻率下,振幅會明顯加大,這就是壓電諧振,類似于我們常見到的LC回路諧振。

作為數(shù)字電路中的心臟,晶振在智能產(chǎn)品中是如何發(fā)揮作用的呢?以智能家居如空調(diào)、窗簾、安防、監(jiān)控等產(chǎn)品來說,都需要無線傳輸模塊,它們通過藍牙、WIFI或ZIGBEE等協(xié)議,將模塊從一端發(fā)到另一端,或直接通過手機控制,而晶振就是無線模塊里的核心元件,影響著整系統(tǒng)的穩(wěn)定性,所以選擇好系統(tǒng)使用的晶振,決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性,在使用和設(shè)計的時候我們需要小心處理:

1、晶振內(nèi)部存在石英晶體,受到外部撞擊或跌落時易造成石英晶體斷裂破損,進而造成晶振不起振,所以在設(shè)計電路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。

2、在手工焊接或機器焊接時,要注意焊接溫度。晶振對溫度比較敏感,焊接時溫度不能過高,并且加熱時間盡量短?

合理的晶振布局可以抑制系統(tǒng)輻射干擾

一、問題描述

該產(chǎn)品為野外攝像機,內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲卡和電池五部分組成,外殼為塑膠殼,小板僅有兩個接口DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">USB 接口。經(jīng)過輻射測試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。

原始測試數(shù)據(jù)如下:

二、分析問題

該產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)塑膠外殼,是非屏蔽材料,整機測試只有電源線和USB 線引出殼體,難道干擾頻點是由電源線和USB 線輻射出來的嗎?故分別作了一下幾步測試:

( 1 ) 僅在電源線上加磁環(huán),測試結(jié)果:改善不明顯;

( 2 ) 僅在USB 線上加磁環(huán),測試結(jié)果:改善仍然不明顯;

( 3 ) 在USB 線和電源線都加磁環(huán),測試結(jié)果:改善較明顯,干擾頻點整體有所下降。

從上可得,干擾頻點是從兩個接口帶出來的,并非是電源接口或USB 接口的問題,而是內(nèi)部干擾頻點耦合到這兩個接口所導(dǎo)致的,僅屏蔽某一接口不能解決問題。

經(jīng)過近場量測發(fā)現(xiàn),干擾頻點來之于核心控制板的一個32.768KHz 的晶振,產(chǎn)生很強的空間輻射,使得周圍的走線和GND 都耦合了32.768KHz 諧波雜訊,再通過接口USB 線和電源線耦合輻射出來。而該晶振的問題在于以下兩點問題所導(dǎo)致的:

( 1 ) 晶振距離板邊太近,易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。

( 2 ) 晶振下方有布信號線,,這易導(dǎo)致信號線耦合晶振的諧波雜訊。

( 3 ) 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,使得濾波器件的濾波效果變差。

三、解決對策

根據(jù)分析得出以下對策:

(1)晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置,遠離板邊;

(2)切記不能在晶體擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地;

(3)晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布,且靠近晶體擺放整齊緊湊;

(4)晶體靠近芯片處擺放,兩者間的走線盡量短而直。

可以參考如下圖布局方式:

經(jīng)整改后,樣機測試結(jié)果如下:

四、結(jié)論

現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振時鐘頻率高,干擾諧波能量強;干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來,還會從空間輻射出來,若布局不合理,容易造成很強的雜訊輻射問題,而且很難通過其他方法來解決,因此在PCB 板布局時對晶振和CLK 信號線布局非常重要。

晶振的PCB設(shè)計注意事項

(1)耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳,位置擺放順序:按電源流入方向,依容值從大到小依次擺放,容值最小的電容最靠近電源引腳。

(2)晶振的外殼必須接地,可以晶振的向外輻射,也可以屏蔽外來信號對晶振的干擾。

(3)晶振下面不要布線,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、器件和層的性能。

(4)時鐘信號的走線應(yīng)盡量短,線寬大一些,在布線長度和遠離發(fā)熱源上尋找平衡。

(5)晶振不要放置在PCB板的邊緣,在板卡設(shè)計時尤其注意該點。

晶振與晶體的區(qū)別

(1)晶振是有源晶振的簡稱,又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。晶體則是無源晶振的簡稱,也叫諧振器。英文名稱是crystal.
(2)晶體(無源)一般是直插兩個腳的無極性元件,需要借助時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有49U、49S封裝。
(3) 晶振(有源)一般是表貼四個腳的封裝,內(nèi)部有時鐘電路,只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別

MEMS硅晶振采用硅為原材料,采用先進的半導(dǎo)體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面,有明顯于石英的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在以下方面:

(1)全自動化半導(dǎo)體工藝(芯片級),無氣密性問題,永不停振。
(2) 內(nèi)部包含溫補電路,無溫漂,-40—85℃全溫保證。
(3) 平均無故障工作時間5億小時。
(4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。
(5)支持1-800MHZ任一頻點,精確致小數(shù)點后5位輸出。
(6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。

(7)支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。

(8)支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。
(9) 標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝,無需任何設(shè)計改動,直接替代石英振蕩器。
(10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控(VCXO)、溫補(TCXO)等產(chǎn)品種類。
(11) 300%的市場增長率,三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場。

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