Quarzoszillatoren in Ihrem PCB-Layout halten Frequenzen stabil

Über den größten Teil der Menschheitsgeschichte hinweg verließen wir uns auf die astronomische Zeitmessung, um unser Leben zu planen. Heute haben wir ausgefeilte Uhren, die uns helfen, den Alltag zu bewältigen. Da das moderne Leben immer hektischer wird, müssen wir Bruchteile einer Sekunde im Auge behalten. Richtlinien für das Layout von elektronischen PCBs mit Quarzoszillatoren sind das Geheimrezept, das dies möglich macht.

Das Ausgangstaktsignal von einem Schmitt-Trigger-Oszillator oder einem 555-Timer wird unter Verwendung einer RC-Zeitkonstante gesteuert. Das Problem bei der Verwendung dieser Schaltungen ist, dass die Werte des Widerstands und des Entkopplungskondensators über die Zeit nicht konstant bleiben. Sowohl der Widerstand als auch die Kapazität können sich mit der Temperatur der Leiterplatte ändern. Komponenten können auch mit der Zeit altern und sich verschlechtern. Diese Faktoren führen dazu, dass die Frequenz der Uhr über die Zeit driftet.

Wenn Frequenzstabilität und -genauigkeit kritisch sind, ist ein Quarzoszillator eine bessere Wahl. Ein zu einer spezifischen Form geschnittener Quarzkristall kann mit einer spezifischen Resonanzfrequenz schwingen, und diese Frequenz ist gegenüber Temperaturänderungen hochstabil. Quarzoszillatoren können stabile Frequenzen im Bereich von kHz bis MHz ausgeben, wenn sie richtig in Ihrer PCB platziert und verbunden sind.

Jedes digitale System, das eine Uhr verwendet, stellt Entwurfsherausforderungen dar. Dies gilt insbesondere für PCBs, bei denen Probleme wie parasitäre Kapazität und Signalreflexion die Signalintegrität beeinträchtigen können. Einige dieser Entwurfsprobleme werden bei hohen Frequenzen drängender. Glücklicherweise gibt es einige Entwurfsstrategien, die dabei helfen, die Signalintegrität in Ihren Entwürfen zu erhalten.

Minimierung der Ausbreitungsverzögerung und des Clock Skew

Das Schalten in Logikschaltungen, insbesondere in TTL- und CMOS-Logikbausteinen, führt dazu, dass sich Ausbreitungsverzögerungen stromabwärts vom Clock-Ausgang ansammeln. Obwohl dies in der Größenordnung von Nanosekunden liegt, wird es in Hochfrequenzschaltungen vergleichbar mit der Breite der Clock-Impulse.

Clock Skew kann unabhängig von der in dem Gerät verwendeten Uhr auftreten. Unterschiede in den Leiterbahnlängen verursachen Zeitverzögerungen, die sich ansammeln, während Clock-Signale zu verschiedenen elektrischen Komponenten geleitet werden. Wenn Clock Skew mit der Ausbreitungsverzögerung kombiniert wird, kann die Diskrepanz zwischen den Clock-Impulsen in parallelen Leiterbahnen erheblich sein.

Clock Skew und Ausbreitungsverzögerung können durch Anpassen der Länge von Signalleiterbahnen kompensiert werden. Die differentiellen Leiterbahnlängen zwischen aufeinanderfolgenden Komponenten sollten gleich gemacht werden, um Clock Skew zu minimieren. Bestimmte parallele Leiterbahnen können unterschiedliche Anzahlen von Komponenten enthalten, und die Ausbreitungsverzögerung jeder Komponente sollte berücksichtigt werden, wenn Leiterbahnen auf Ihrer Leiterplatte platziert werden.

Vermeiden Sie Taktversatz durch Angleichen paralleler Leiterbahnen

Platzierung der Masseebene

Einige PCB-Designer neigen dazu, ihre Stromversorgungs- und Signalleitungen direkt über ihrer Masseebene zu führen. Dies wird nicht empfohlen, da eine falsche Platzierung der Masseebene dazu führen kann, dass Ihre Taktungsschaltung wie eine Antenne funktioniert. Nicht nur wird die Schaltung anfällig für externe EMI sein, sondern die Schaltung wird auch RF-Strahlung erzeugen, die EMI in anderen nahegelegenen Schaltungen verursachen kann.

Für eine bestimmte Taktfrequenz beträgt die Dicke der Masseebene nur 1/2 Wellenlänge. Da der Quarzoszillator wirklich eine Breitband-Stromquelle ist, enthalten das Taktsignal und seine Rückströme beide eine Bandbreite von Hochfrequenzkomponenten. Wenn diese Ströme über die Masseebene fließen dürfen, haben Sie gerade eine zentral gespeiste Patch-Antenne erstellt.

Wenn das Band des Taktsignals mit einer der Resonanzfrequenzen der Masseebene überlappt, kann ein starker Strom in der Masseebene erzeugt werden. Aber wenn Sie die Strom- und Masseebenen trennen, wird die Strahlung aufgrund von Hochfrequenz-Stromschleifen reduziert. Dies wird auch die Anfälligkeit für externe EMI verringern.

Trennen Sie Ihre Masse- und Stromebenen, um EMI zu reduzieren

Verwenden Sie die richtigen Kondensatoren

Die Signalintegrität Ihres Quarzoszillators kann durch die Verwendung von zwei Kondensatoren aufrechterhalten werden. Einer sollte zwischen dem Hochspannungsanschluss und der Massefläche und ein anderer zwischen dem Masseanschluss und der Massefläche verbunden werden. Sie müssen die Kondensatoren auf den spezifischen Kristall abstimmen, den Sie gewählt haben. Die erforderliche Kapazität variiert für verschiedene Oszillatormodelle, selbst innerhalb desselben Herstellers.

Ihr Quarzoszillator wird eine Lastkapazitätsspezifikation (üblicherweise 20 bis 50 pF) enthalten, die Sie verwenden können, um zu bestimmen, welche Kondensatoren Sie mit Ihrem Kristall verwenden sollten. Jeder Kondensator sollte doppelt so groß wie der Wert der Lastkapazität sein, abzüglich jeglicher Streukapazität. Streukapazitätswerte neigen dazu, mehrere pF zu betragen. Vergessen Sie nicht, Umgehungskondensatoren einzuschließen, wenn Sie Verbindungen zwischen Ihren Uhrensignalleitungen und anderen ICs auf der Platine herstellen.

Vias auf Uhrensignalleitungen vermeiden

Vias können als kapazitive oder induktive Diskontinuitäten in Leiterbahnen wirken. Das bedeutet, dass Leiterbahnen, die Uhrensignale tragen, an Vias reflektieren und Signalintegritätsprobleme verursachen können. Es wird empfohlen, dass höherfrequente Signale, die von Quarzoszillatoren erzeugt werden, nach Möglichkeit nicht durch Vias geleitet werden. Wenn Vias verwendet werden müssen, um die Formfaktor beizubehalten, müssen die Leiterbahnen und Vias impedanzabgeglichen sein, um Reflexionen zu verhindern.

Die Impedanzanpassung zwischen Vias und Leiterbahnen kann durch Minimierung oder Eliminierung von Stubs in Vias erreicht werden. Der ungenutzte Stub verhält sich wie eine unterminierte Übertragungsleitung mit signifikanter Signaldegradation um seine Resonanzfrequenz herum. Stubs dienen im Allgemeinen keinem nützlichen Zweck und können durch Rückbohren entfernt werden. Das Rückbohren erfordert jedoch einen zusätzlichen Fertigungsschritt und kann die Herstellungskosten erhöhen.

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