优化石英晶体振荡器周边电路设计减少噪音

[前言]在电子设备和通信系统的设计和布局过程中,要仔细考虑必须进入晶体振荡器和外围电路以优化性能.作为核心在信号源中,石英晶体振荡器必须产生高精度输出,因此对电路板其他部分的高频噪声本身敏感.

该电路在设计期间需要明确小心.这些技术说明可作为设计指南降低几个外围电路中的噪声,其中高频噪声可能特别有害晶体振荡器输出.

[晶体振荡器和外围电路中的噪声源]

首先,在图1中,我们指出了晶体振荡器产生的典型噪声类型外围电路.有三种主要噪声源：

1.电源线噪音2.输出线的噪音3.晶体振荡器的噪音

通常被称为“噪音”的是这三个因素的累积结果.下面我们提供解释每种类型的噪音.

图1  噪音类型

1.电源线噪音

电压纹波和开关噪声通常由电源线跟踪发出.这种噪声会影响石英晶体振荡器的输出.此外,有必要确保这

点晶体振荡器产生的纹波噪声不会流到电源线.实施这样的对策还可以改善隔离,以防止其他设备产生外部噪音流向晶体振荡器,保证了晶体振荡器的稳定性.

2.输出线噪声

输出线噪声是指晶体振荡器输出的信号,输出线作为输出线天线.应对输出信号和输出信号实施降噪技术物理痕迹.

3.晶体振荡器IC噪声

晶体振荡器IC噪声是指内部IC和晶体布线发出的噪声振荡器.解决这种噪声需要确保晶体振荡器的稳定电源确保形成所需的波形,以实现有源晶振,晶体振荡器的稳定运行.这些噪声源取决于上述原因,可以通过电源间接减轻本文后面提到的线和输出线技术.

从上面的因素发出的噪声水平与电流成比例和当前的循环路径.因此,电流或电流回路路径减小阻抗将导致发射的噪声水平降低.通常,在电流和电流回路之间存在以下类型的相关性与晶体振荡器及其外围电路有关的长度.

电流量：电源线=晶体振荡器>输出线

电流环尺寸：输出线>电源线>>晶体振荡器

输出线噪声对晶体振荡电路的影响最大,其次是噪声电力线的贡献.通常,实际晶体振荡器IC发出的噪声水平与来自其他两个来源的噪音相比要少得多.

[应对噪音的解决方法]

到目前为止,在这些技术说明中,我们已经研究了石英晶体振荡器中的噪声源他们的外围电路.在这里,我们解释减少这种噪音的措施.主要有三种噪音减少措施：

1.建立稳定的电源和接地连接.2.安装滤波器以防止电源线产生噪音.3.在电路板上配置稳定的输出线.

1.稳定的电源和接地连接

稳定的电源和接地连接是指广泛的阻抗水平极低频带（特别是高频）以及实现均匀电位的导体跨越带宽的所有点.特别是,地线代表a的基本潜力因此电路必须达到最大程度的稳定性.这需要设计地平面具有宽的表面积而没有收缩.在多层板上,额外的地平面是用于配置独立层上的电源线和地线.当设计涉及焊点,更宽的接触面积确保更低的阻抗,因此噪音更小.

2.电源线过滤

通常的做法是在电源线和地线之间放置一个滤波器,以防止噪声晶体振荡器泄漏到电源线或地线,反之则防止噪声电源线进入晶体振荡器.通常,旁路电容器用作电源的滤波器线和地线.下面提供详细说明.

a.旁路电容器

旁路电容用于降低相互作用的电阻抗并有助于稳定电路在吸收电力线上存在的噪声的同时进行操作.这是众所周知的噪音消除方法.安装具有适当电容值的电容器将解决问题大多数与噪音有关的问题.

a1.旁路电容器容量值

标准旁路电容值介于0.01μF和1μF之间.该值应设置为尽可能低但在电源端子VCC和电源线阻抗的范围内与地面的关系是频率是晶体振荡器频率的三倍.这里,你必须确认这个容量的频率属性,以确保阻抗水平高频侧或低频侧不增加.

a2.安装旁路电容器

为了最大限度地降低噪声,旁路电容应尽可能靠近晶体振荡器安装可能.随着迹线长度的增加,寄生电感将增加并导致增加更高频率的阻抗.应配置旁路电容的走线长度使信号通过连接到电源线.这将迫使噪音通过通过旁路电容器,提高噪声消除效果.

避免使用图2a中所示的形成类型.安装旁路电容时.高频噪声通常沿直线传播,因此噪声不会通过旁路电容器,如果使用如图2a所示的模式.因此,请使用图中所示的模式2B.

图片2  旁路电容器实现示例

3.配置稳定的输出线

稳定的输出线是指能够有效传输石英晶体输出波形的迹线振荡器到所需的输入,具有最小的失真和电磁辐射.

配置稳定输出线的关键包括确保波形属性,例如tr,tf,输入时需要VOH,VOL等.此外,稳定的输出线需要消除不需要的信号,如过冲,下冲,振铃和回声,如图3b所示.也是重要的是要了解迹线的天线效率,以尽量减少不必要的辐射.

图片3  输出波形属性

防止输出波形失真的措施包括：a配置串联电阻,b配置终端电阻,c配置过滤器,d匹配输出线阻抗

a、配置串联电阻

将晶体振荡器连接到输入设备通常会产生波形失真包括过冲,下冲和振铃.这些失真包含高频率比振荡频率高3-7倍并导致发射的元素应该消除的噪音.为了消除这种失真,连接了串联电阻晶体振荡器的输出端和输出线之间如图4所示电阻值配置为使晶体振荡器输出阻抗（Ro）和的总和串联电阻（Rs）等于输出线阻抗（Z0）.

可以进行测试以确定串联电阻的最佳值.测试方法包括用示波器测量输出波形并从中过渡串联电阻的低值到高值.最佳电阻值是其中的值过冲,下冲和振铃都已消除.

图4  串联电阻输入电路图

b、配置终端电阻

终端电阻的配置在很大程度上取决于接口类型和类型正在使用的时钟线.配置将根据这些因素而有所不同.

通常,当输出波形不匹配时,输出波形将经历失真输出线上的阻抗和器件输入的阻抗.当阻抗没有时匹配,行波不能被完全接收,部分信号被反射回来振荡器导致输出波形失真.这导致高频噪声.

当分支晶体振荡器,有源晶振输出到多个器件时,这种波形失真会导致触发错误.因此,正确的终端和阻抗匹配至关重要.

为了防止来自接收设备的回声,输入应该以相同的方式终止值作为输出线上的阻抗.图5显示了两种常见的终止方法：拆分终止和AC终止.

图5  终端电阻配置方法

C、过滤配置

通常,可以使用串联电阻或终端来解决输出波形失真抵抗性.在这些方法无法解决问题的情况下使用过滤.使用一个滤波器是消除高频噪声的有效方法,但这种方法会产生一个增加tr和tf（波形耗散）.因此,您必须选择适合的过滤器tr和tf的属性.此外,使用较大的电容器作为滤波器会导致增加电流可能反过来导致噪声增加.

D、输出线阻抗匹配

减小输出线上的波形回波需要将输出线阻抗设为尽可能一致.如图6所示,实现一致的输出线阻抗包括配置输出线图案曲线,以便将直角转换为45º角度,或者,如果可能的话,圆形曲线.另外,避免使用通孔或T形分支.

图6  输出线图案曲线示例

最后,我们将介绍两种最重要的减少晶振晶体振荡器噪音的方法.

1.使用较短的输出线

在所有电路中,输出线最容易产生噪声.因此,在设计和期间布局时,应优先考虑允许最短输出线无阻抗波动.使用较短的布线会使输出线谐振频率变为高频率方面.频率越高,输出频率元件的阻尼越大,这反过来导致噪音减少.

2.使用较短的电流环路径

如上所述,从输出线发出的噪声水平与电流成比例循环路径长度.因此,重要的是晶体的输出和接地走线振荡器和输入设备应尽可能短.实现这一目标的简单方法是安装输出走线另一侧的地平面.

如上所述,石英晶体振荡器及其外围电路的仔细电路设计是至关重要的降噪.最佳电路设计允许避免与噪声相关的问题和启用设备,以实现其全部性能潜力.