电子电路的心脏-晶振的应用与合理的PCB设计

我们常把晶振比喻为数字电路的心脏，这是因为，数字电路的所有工作都离不开时钟信号，晶振直接控制着整个系统，若晶振不运作那么整个系统也就瘫痪了，所以晶振是决定了数字电路开始工作的先决条件。

我们常说的晶振，是石英晶体振荡器和石英晶体谐振器两种，他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形，反之，如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。并且，这两种现象是可逆的。利用这种特性，在晶体的两侧施加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小，但是在某个特定频率下，振幅会明显加大，这就是压电谐振，类似于我们常见到的LC回路谐振。

作为数字电路中的心脏，晶振在智能产品中是如何发挥作用的呢？以智能家居如空调、窗帘、安防、监控等产品来说，都需要无线传输模块，它们通过蓝牙、WIFI或ZIGBEE等协议，将模块从一端发到另一端，或直接通过手机控制，而晶振就是无线模块里的核心元件，影响着整系统的稳定性，所以选择好系统使用的晶振，决定了数字电路的成败。



由于晶振在数字电路中的重要性，在使用和设计的时候我们需要小心处理：
1、晶振内部存在石英晶体，受到外部撞击或跌落时易造成石英晶体断裂破损，进而造成晶振不起振，所以在设计电路时要考虑晶振的可靠安装，其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等。
2、在手工焊接或机器焊接时，要注意焊接温度。晶振对温度比较敏感，焊接时温度不能过高，并且加热时间尽量短｡


合理的晶振布局可以抑制系统辐射干扰
一、问题描述
该产品为野外摄像机，内分核心控制板、sensor 板、摄像头、SD 存储卡和电池五部分组成，外壳为塑胶壳，小板仅有两个接口：DC5V 外接电源接口和数据传输的USB 接口。经过辐射测试发现有33MHz 左右的谐波杂讯辐射问题。
原始测试数据如下：


二、分析问题
该产品外壳结构塑胶外壳，是非屏蔽材料，整机测试只有电源线和USB 线引出壳体，难道干扰频点是由电源线和USB 线辐射出来的吗？故分别作了一下几步测试：
( 1 ) 仅在电源线上加磁环，测试结果：改善不明显；
( 2 ) 仅在USB 线上加磁环，测试结果：改善仍然不明显；
( 3 ) 在USB 线和电源线都加磁环，测试结果：改善较明显，干扰频点整体有所下降。
从上可得，干扰频点是从两个接口带出来的，并非是电源接口或USB 接口的问题，而是内部干扰频点耦合到这两个接口所导致的，仅屏蔽某一接口不能解决问题。
经过近场量测发现，干扰频点来之于核心控制板的一个32.768KHz 的晶振，产生很强的空间辐射，使得周围的走线和GND 都耦合了32.768KHz 谐波杂讯，再通过接口USB 线和电源线耦合辐射出来。而该晶振的问题在于以下两点问题所导致的：
( 1 ) 晶振距离板边太近，易导致晶振辐射杂讯。
( 2 ) 晶振下方有布信号线，，这易导致信号线耦合晶振的谐波杂讯。
( 3 ) 滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布，使得滤波器件的滤波效果变差。

三、解决对策
根据分析得出以下对策：
（1）晶体的滤波电容与匹配电阻靠近CPU 芯片优先放置，远离板边；
（2）切记不能在晶体摆放区域和下方投影区内布地；
（3）晶体的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布，且靠近晶体摆放整齐紧凑；
（4）晶体靠近芯片处摆放，两者间的走线尽量短而直。
可以参考如下图布局方式：

 经整改后，样机测试结果如下：


四、结论
现今很多系统晶振现今很多系统晶振时钟频率高，干扰谐波能量强；干扰谐波除了从其输入与输出两条走线传导出来，还会从空间辐射出来，若布局不合理，容易造成很强的杂讯辐射问题，而且很难通过其他方法来解决，因此在PCB 板布局时对晶振和CLK 信号线布局非常重要。

晶振的PCB设计注意事项
（1）耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，位置摆放顺序：按电源流入方向，依容值从大到小依次摆放，容值最小的电容最靠近电源引脚。
（2）晶振的外壳必须接地，可以晶振的向外辐射，也可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。
（3）晶振下面不要布线，保证完全铺地，同时在晶振的300mil范围内不要布线，这样可以防止晶振干扰其他布线、器件和层的性能。
（4）时钟信号的走线应尽量短，线宽大一些，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。
（5）晶振不要放置在PCB板的边缘，在板卡设计时尤其注意该点。

来源：信号完整性

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