晶振的應(yīng)用與合理的PCB設(shè)計(jì)

我們常把晶振比喻為數(shù)字電路的心臟，這是因?yàn)?，?shù)字電路的所有工作都離不開(kāi)時(shí)鐘信號(hào)，晶振直接控制著整個(gè)系統(tǒng)，若晶振不運(yùn)作那么整個(gè)系統(tǒng)也就癱瘓了，所以晶振是決定了數(shù)字電路開(kāi)始工作的先決條件。
我們常說(shuō)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(gè)電極上施加電場(chǎng)會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會(huì)在晶體上產(chǎn)生電場(chǎng)。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(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。這種震動(dòng)和電場(chǎng)一般都很小，但是在某個(gè)特定頻率下，振幅會(huì)明顯加大，這就是壓電諧振，類似于我們常見(jiàn)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(lái)說(shuō)，都需要無(wú)線傳輸模塊，它們通過(guò)藍(lán)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(guò)手機(jī)控制，而晶振就是無(wú)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(jì)的時(shí)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(shí)易造成石英晶體斷裂破損，進(jìn)而造成晶振不起振，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)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(jī)器焊接時(shí)，要注意焊接溫度。晶振對(duì)溫度比較敏感，焊接時(shí)溫度不能過(guò)高，并且加熱時(shí)間盡量短?
合理的晶振布局可以抑制系統(tǒng)輻射干擾
一、問(wèn)題描述
該產(chǎn)品為野外攝像機(jī)，內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲(chǔ)卡和電池五部分組成，外殼為塑膠殼，小板僅有兩個(gè)接口：DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 接口。經(jīng)過(guò)輻射測(cè)試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問(wèn)題。
原始測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

二、分析問(wèn)題
該產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)塑膠外殼，是非屏蔽材料，整機(jī)測(cè)試只有電源線和USB 線引出殼體，難道干擾頻點(diǎn)是由電源線和USB 線輻射出來(lái)的嗎？故分別作了一下幾步測(cè)試：
( 1 ) 僅在電源線上加磁環(huán)，測(cè)試結(jié)果：改善不明顯；
( 2 ) 僅在USB 線上加磁環(huán)，測(cè)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(cè)試結(jié)果：改善較明顯，干擾頻點(diǎn)整體有所下降。
從上可得，干擾頻點(diǎn)是從兩個(gè)接口帶出來(lái)的，并非是電源接口或USB 接口的問(wèn)題，而是內(nèi)部干擾頻點(diǎn)耦合到這兩個(gè)接口所導(dǎo)致的，僅屏蔽某一接口不能解決問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)近場(chǎng)量測(cè)發(fā)現(xiàn)，干擾頻點(diǎn)來(lái)之于核心控制板的一個(gè)32.768KHz 的晶振，產(chǎn)生很強(qiáng)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(guò)接口USB 線和電源線耦合輻射出來(lái)。而該晶振的問(wèn)題在于以下兩點(diǎn)問(wèn)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(hào)線，，這易導(dǎo)致信號(hào)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(hào)流向排布，使得濾波器件的濾波效果變差。

　三、解決對(duì)策
根據(jù)分析得出以下對(duì)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(yuǎn)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(hào)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(jī)測(cè)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(shí)鐘頻率高，干擾諧波能量強(qiáng)；干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來(lái)，還會(huì)從空間輻射出來(lái)，若布局不合理，容易造成很強(qiáng)的雜訊輻射問(wèn)題，而且很難通過(guò)其他方法來(lái)解決，因此在PCB 板布局時(shí)對(duì)晶振和CLK 信號(hào)線布局非常重要。
晶振的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
（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(lái)信號(hào)對(duì)晶振的干擾。
（3） 晶振下面不要布線，保證完全鋪地，同時(shí)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(shí)鐘信號(hào)的走線應(yīng)盡量短，線寬大一些，在布線長(zhǎng)度和遠(yuǎn)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(jì)時(shí)尤其注意該點(diǎn)。