详解XTAL振荡器电路设计和布局技巧

每年，数十亿种晶体被制造出来，并且几乎在每个电子设备中使用。网络、数字手表甚至微波中的数字和模拟子系统都需要稳定的振荡器，以实现精确定时并在数字电路中移动数据。除了XTAL振荡器电路布局之外，还需要选择合适的晶振，以提供稳定的时序。

在市场上可以找到的XTAL的制造频率范围为〜10kHz至〜100MHz。这些组件具有不同程度的固有抖动和温度敏感度，为系统选择正确的振荡器对于确保数字和模拟电路的准确时序至关重要。随着频率增加到GHz范围，将需要改变策略并为系统选择高度稳定的参考振荡器。这是需要了解的XTAL振荡器电路设计和组件选择，以及何时需要开始考虑更稳定的高频振荡器。

XTAL振荡器电路布局技巧

布置XTAL振荡器电路的目的是确保时钟信号与其他组件正确隔离，并确保输出上的漂移和抖动/相位噪声最小。其中一些点与振荡器的化学成分有关(陶瓷与石英)，而某些与布局有关(PDN去耦不足可能是造成抖动的主要来源之一)。在下面的列表中整理了一些用于布置XTAL振荡器电路的基本技巧。

1.将振荡器远离其他高频/高速信号。目的是减少XTAL振荡器电路(特别是输出引脚)与其他PCB电路之间的电容性串扰。

2.如果需要，请使用铜粉将时钟与其他电路隔离。请勿将铜倒在时钟下方的表层上。相反，只需使用内部接地层即可。

3.尝试防止其他信号的返回电流在时钟输出下方传播。

4.将任何电容器放置在输出上靠近时钟组件输出引脚的位置。任何电容器都应稳定并且具有足够高的自谐振频率(理想情况下，应超过时钟信号的3至5次谐波)。

系统时钟与嵌入式和同步时钟的比较

如果将XTAL振荡器电路用作一系列点对点功能块的系统时钟，则在布线时钟线时会遇到困难，因为需要确保时钟信号以相同的方式到达每个组件时间作为信号。目的是确保数据信号在正确的时间锁存在接收器中。正确执行此操作需要考虑组件中的传播延迟，这随着点对点链中组件数量的增加而变得极为困难。

在这种点对点拓扑中使用系统时钟需要超高精度的时序，而传统的EDA工具可能很难做到这一点。由于链中每个组件的传播延迟，会出现时序问题。

这个困难是许多组件使用嵌入式时钟的原因，其中时钟信号被嵌入数据流的前几位。另一种方案是源同步时钟，其中时钟信号与数据流并行路由。计算机主板及其外围设备将使用这两种时钟方案，因为随着板子尺寸的增加，正确路由单个系统时钟变得更加困难。在组件之间(例如在PCIe子系统中)路由的信号将需要使用与并行数据总线相同的长度和时序匹配技术来路由。幸运的是，PCBEDA程序提供了设计规则功能，这些功能使这种类型的布线变得相当容易。

XTAL振荡器的EMI

在许多系统中，已知XTAL振荡器电路是有问题的EMI来源。在EMC测试期间，这可能表现为辐射的近场EMI或远场EMI，下游功能块中的噪声或抖动。根据高频XTAL振荡器电路的接地策略，您可能会在时钟下方无意间创建宽带天线。

注意不要将大块的接地铜倒在时钟下方。电流将在该铜浇注物和最近的参考平面之间电容耦合，在特定的谐振下它会像强壮的贴片天线一样发射(有关正确布线的一个很好的例子，请参见上图)。

降低时钟EMI的一种选择是使用与扩频时钟一起运行的组件。该技术可将功率分散到很宽的频率范围内，但会降低高速信号的峰值能量，进而降低感应宽带噪声的强度。扩频时钟涉及对时钟输出进行频率调制，然后在频率和相位处于特定值时触发下游电路(请参见下文)。这通常消除了对EMI滤波器，铁氧体磁珠，线圈和扼流圈的需求。

扩频时钟可实现功率谱和EMI降低

温度补偿

如果电路板需要在一定温度范围内以高精度时序运行，那么将需要考虑温度补偿的XTAL振荡器电路(TCXO)。这些组件在RF系统和高速数字系统中很常见。这些组件在温度补偿反馈环路内使用一个变容二极管。随着温度的变化，晶体的谐振频率也随之变化。变容二极管允许将谐振频率补偿回期望值。这些组件也可用作具有宽输出范围的压控设备。这种电路的一个例子如下所示。

XTAL振荡器的温度补偿电路

当需要补偿温度变化时，使用电压控制的TCXO可提供一个额外的拉杆。然后可以将输出馈入VCO以进行乘法运算，直至达到更高的频率。这些组件的工作频率约为100MHz，并允许进行低至ppm级的控制/补偿。

编辑：jq