石英晶體振蕩器是信號源的核心所在.在構建各種電子設備及通信系統設備等過程中,石英晶體振蕩器周圍的電路結構及設計對系統能否最大程度發揮功能起著重要的作用.特別是石英晶體振蕩器周圍電路,由于將在搭載數字電路的基板上以最高速度開關工作,較易產生噪音,所以設計電路之際必須對此十分注意.作為降低噪音電路設計的指南,本文將就使使用石英晶體振蕩器的周圍電路設計中的噪音對策進行解說.

【石英晶體振蕩器及周圍電路的噪音發生源】

一般情況下石英晶體振蕩器及周圍電路所的噪音發生源分為三大類:

1)來自電源線的噪音;

2)來自輸出線路的噪音;

3)來自石英晶體振蕩器的噪音.

通常所說的噪音指上述噪音的總稱.一下具體說明上述三種噪音及其對策.

1)來自電源線的噪音

在石英晶振的工作過程中,電源線中將產生脈動.電源線起到天線的作用,將脈動作為噪音釋放.防止電源噪音時重要的是如何阻止或吸收石英晶體振蕩器所產生的脈動流入電源線.為此而采取的對策可防止其他元器件所產生的外來噪音進入石英晶體振蕩器,因此亦可實現石英晶體振蕩器的工作穩定.

2)來自輸出線路的噪音

來自輸出線路的噪音是指輸出線路祈禱天線的作用將石英晶體振蕩器輸出的信號作為噪音釋放.這種噪音的對策是使輸出波形符合所定要求又難以釋放噪音,以及形成難以釋放噪音的輸出線路.

3)來自石英晶體振蕩器的噪音

來自石英晶體振蕩器的噪音是指石英晶體振蕩器內部的集成電路與布線所釋放的噪音.這種噪音的對策是使石英晶體振蕩器的電源供給保持穩定,且在保證要求的輸出波形的基礎上使石英晶體振蕩器穩定工作,這些是電源線及輸出線路共同的對策.

1)至3)所示的各種發生源的噪音釋放量與流過的點流量和電流環路的大小成正比.點流量越大,或者電流環路越大,噪音的釋放量越多.

石英晶體振蕩器及其周圍電路在流過的點流量與電流環路大小方面一般存在著下示關系:

點流量: 電源線=石英晶體振蕩器>輸出線路

電流環路的大小: 輸出線路>電源線>>石英晶體振蕩器

從上述關系中可以得出,在石英晶體振蕩器及其周圍電路所產生的噪音中,輸出線路所產生的最多,其次是電源線,而石英晶體振蕩器本身所釋放的噪音量與這兩種噪音相比極小.

【噪音對策】

以上說明了石英晶體振蕩器及其周圍電路中的噪音發生源,接下倆說明降低走啊因的對策.降低噪音的對策有一下三種基本方法:

1)設置穩定的電源線與接地線;

2)對電源噪音進行過濾;

3)在基板上配置穩定的輸出線路.

各方法的具體說明:

1)穩定的電源線與接地線

穩定的電源線和接地線是指大范圍頻帶(特別是高頻)中的阻抗極小,且任何點上的電平相同的導體.接地線是電路的標準電平,所以最需要保持穩定,其電路設計具體應做到表面積大且無寬度變窄之處.采用多層板時,電源線與接地線應當非別采用獨立的布線層,有連接部分時應增大接觸面積,以便在高頻帶中亦保持較小的阻抗.

2)電源線濾波

在電源線及接地線中設置濾波器,以防石英晶體振蕩器的噪音流入電源線貨接地線,或者防止其他電路所產生的噪音通過電源線流入石英晶體振蕩器.電源線和接地線一般采用旁路電容器作為濾波器.

2-a)旁路電容器

旁路電容器常用于去除噪音.它可以降低交流電源的阻抗使電路穩定工作,還可以吸收電源線中的噪音.大多噪音問題可通過選擇安裝適宜常數的旁路電容器來解決.旁路電容器的適宜常數設定與安裝方法如下所所述.

2-a-1)旁路電容器容量

通常使用的旁路電容器容量大致在0.01至0.1μF之間.電容器容量盡可能設定為較小的數值,且將有源晶振的電源電壓Vcc,從接地線來看電源線的阻抗控制在石英晶體振蕩器輸出頻率的約3倍的頻帶內.設定時應當確認電容的頻率阻抗特性,防止高頻側或低頻側的阻抗增大.

2-a-2)旁路電容器的安裝

旁路電容器應盡可能安裝在靠近石英晶體振蕩器電源的地方.布線圖案的的距離越長寄生電感越大,高頻側的阻抗隨之變大布線應先連接旁路電容器后連接到電源線.這樣,噪音必將通過旁路電容器,從而提高噪音去除效果.

而且,旁路電容器的安裝應避免圖1之a所示的布線圖案.高頻噪音通常直線前進,如果采用圖1之a所示的布線圖案,噪音將不通過旁路電容器.為此請使用類似圖1之b的布線圖案.

3)配置穩定的輸出線路

穩定的輸出線路是指能夠把石英晶體振蕩器輸出的波形在不失真的情況下準確傳輸到輸入對象的元器件,并能夠盡可能減少噪音釋放的線路.

穩定的輸出線路的設置基礎如圖2之a所示,應確保輸入側所需的tr,tf,VOH,VOL等波形特性;且如圖2之b的輸出波形所示,應當去除不必要的信號,例如過沖,下沖,振影或反射波等.而且,還應降低輸出線路的作為天線釋放噪音的效率,使噪音難以釋放.

避免輸出波形失真的對策可列舉出以下4種方法:

a)連接串聯電阻;

b)連接終端電阻;

c)連接濾波器;

d)出書線路的阻抗匹配.

各方法的具體說明:

a)連接串聯電阻

石英晶體振蕩器連接輸入對象的元器件時,通常常將產生過沖、下沖或振鈴等波形變形.這些變形的波形中含有振蕩頻率的約3-7倍的射頻成份,將引發噪音,所以必須去除.為了去除射頻成份,應在石英晶體振蕩器的輸出端與輸出線路之間連接串聯電阻,如圖3所示,所插入的電阻值(Rs)等于輸出線路的阻抗(Z0)與石英晶體振蕩器的輸出阻抗(Ro)之差.串聯電阻最佳值亦可通過實驗得出.實驗方法是便用示波器等觀察輸出波形,邊將串聯電阻值從小逐漸調大,得出過沖,下沖或振影等消失時的電阻值.

b)連接終端電阻

終端電阻是否連接取決于所使用的數字或模擬信號種類,以及輸出波形的時鐘線的種類.

輸出波形的失真一般出現在輸出線路的阻抗與輸入對象元器件的輸入阻抗不匹配的情況下.非匹配狀態的行進波在輸入端被反射后,反射波與行進波相重疊是輸出波形出現絮亂,從絮亂部分產生高頻率的噪音,將石英晶體振蕩器的輸出分支傳送到多只元器件使用時,上述波形失真或引起觸發誤差.因此阻抗匹配十分重要.

為了防止從輸入端的反射,應當端接終端電阻使輸入端的阻抗等于輸出路線的阻抗.并聯終端匹配可分為單電阻和雙電阻.

c)連接濾波器

通常可以使用串聯電阻或終端電阻對輸出波形進行整形.若由此仍然無法完全解決問題,則使用濾波器.使用濾波器可去除高頻率的噪音,但tr、tf將變大（脈沖前后沿變圓）.因此必須選擇能夠滿足tr、tf特性的的濾波器.尚需注意的是,如果在濾波器中使用了電容較大的電容器,則將使電流量變大,反而促使釋放的噪音變大.

d)出書線路的阻抗匹配

為了減少輸出線路中的波形反射,需要盡量將輸出線路的阻抗保持一定.可以將輸出線路電路圖案設計成45度拐角或若有可能設計成圓形拐角,避免使用直角拐角,一次使輸出線路的阻抗保持一定.還應避免使用通孔和T形接頭.

減少噪音釋放的兩項最重要方法:

a)縮短輸出線路

輸出線路是電路中最容易釋放噪音的部分.為此,在設計電路圖案之際,應當最優先設計輸出線路部分,采用長度最短,無阻抗變動的最佳輸出線路圖案.縮短后的輸出線路布線的諧振頻率將變得更高.輸出的信號隨頻率增大而衰減,從而導致釋放的噪音減少.

b)縮小電流環路

如之前所說,來自輸出線路的噪音釋放量與電流環路的大小成正比.因此必須盡量縮短晶振和輸入元器件的輸出線路與接地線長度,故而亦可采用在輸出線路的背面印制接地線的方法.

綜上所說,石英晶體振蕩器周圍電路的適宜設計對減少噪音極為重要.只要電路設計妥善適宜,即可避免噪音的問題,從而充分發揮元器件本身所具有的性能.

—兆現電子技術部—

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