Les oscillateurs à quartz dans votre agencement de PCB maintiennent les fréquences stables

Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, nous nous sommes appuyés sur la mesure du temps astronomique pour planifier nos vies. Aujourd'hui, nous disposons d'horloges sophistiquées qui nous aident à gérer la vie quotidienne. À mesure que la vie moderne devient de plus en plus frénétique, nous devons suivre les fractions de seconde. Les directives pour la disposition des cristaux oscillateurs sur les circuits imprimés électroniques sont le secret qui rend cela possible.

Le signal d'horloge de sortie d'un oscillateur à déclenchement de Schmitt ou d'un minuteur 555 est contrôlé à l'aide d'une constante de temps RC. Le problème de l'utilisation de ces circuits est que les valeurs des résistances et des condensateurs de découplage ne restent pas constantes dans le temps. La résistance et la capacité peuvent changer avec la température du circuit imprimé. Les composants peuvent également se dégrader avec l'âge. Ces facteurs provoquent la dérive de la fréquence de l'horloge au fil du temps.

Si la stabilité et la précision de la fréquence sont critiques, un oscillateur à quartz est un meilleur choix. Un cristal de quartz taillé dans une forme spécifique peut vibrer à une fréquence de résonance spécifique, et cette fréquence est très stable face aux changements de température. Les oscillateurs à quartz peuvent fournir des fréquences stables allant de kHz à MHz s'ils sont correctement placés et connectés sur votre PCB.

Tout système numérique utilisant une horloge présente des défis de conception. Cela est particulièrement vrai dans les PCBs, où des problèmes comme la capacité parasite et la réflexion du signal peuvent dégrader l'intégrité du signal. Certains de ces problèmes de conception deviennent plus pressants à haute fréquence. Heureusement, il existe certaines stratégies de conception qui aideront à maintenir l'intégrité du signal dans vos conceptions.

Minimiser le retard de propagation et le décalage d'horloge

La commutation dans les circuits logiques, en particulier dans les dispositifs logiques TTL et CMOS, provoque l'accumulation de retards de propagation en aval de la sortie d'horloge. Bien que cela tende à être de l'ordre de la nanoseconde, cela devient comparable à la largeur des impulsions d'horloge dans les circuits à haute fréquence.

Le décalage d'horloge peut se produire indépendamment de l'horloge utilisée dans le dispositif. Les variations dans les longueurs des pistes provoquent l'accumulation de retards temporels à mesure que les signaux d'horloge sont acheminés vers divers composants électriques. Lorsque le décalage d'horloge est combiné avec le retard de propagation, le décalage entre les impulsions d'horloge dans les pistes parallèles peut être significatif.

Le décalage d'horloge et le retard de propagation peuvent être compensés en ajustant la longueur des pistes de signal. Les longueurs de pistes différentielles entre les composants successifs doivent être rendues égales pour minimiser le décalage d'horloge. Certaines pistes parallèles peuvent contenir un nombre différent de composants, et le retard de propagation de chaque composant doit être pris en compte lors du placement des pistes sur votre Circuit Imprimé.

Évitez le décalage d'horloge en appariant les pistes parallèles

Placement du plan de masse

Certains concepteurs de PCB peuvent avoir tendance à faire passer leurs alimentations et signaux directement au-dessus de leur plan de masse. Cela n'est pas recommandé car un mauvais placement du plan de masse peut amener votre circuit d'horloge à fonctionner comme une antenne. Non seulement le circuit sera susceptible aux EMI externes, mais le circuit produira également des radiations RF qui peuvent causer des EMI dans d'autres circuits à proximité.

Pour une fréquence d'horloge particulière, l'épaisseur du plan de masse n'est que de 1/2 longueur d'onde. Puisque l'oscillateur à quartz est vraiment une source de courant à large bande, le signal d'horloge et ses courants de retour contiennent tous deux une bande de composants à haute fréquence. Si ces courants sont autorisés à circuler à travers le plan de masse, vous venez de créer une antenne patch alimentée au centre.

Si la bande du signal d'horloge chevauche l'une des fréquences de résonance du plan de masse, un courant fort peut être généré dans le plan de masse. Mais si vous séparez les plans d'alimentation et de masse, la radiation due aux boucles de courant à haute fréquence sera réduite. Cela réduira également la susceptibilité aux EMI externes.

Séparez vos plans de masse et d'alimentation pour réduire les EMI

Utilisez les bons condensateurs

L'intégrité du signal de votre oscillateur à quartz peut être maintenue en utilisant deux condensateurs. L'un doit être connecté entre la broche de haute tension et le plan de masse, et l'autre entre la broche de masse et le plan de masse. Vous devrez adapter les condensateurs au cristal spécifique que vous avez choisi. La capacité requise varie pour différents modèles d'oscillateurs, même au sein du même fabricant.

Votre oscillateur à quartz inclura une spécification de capacité de charge (généralement de 20 à 50 pF) que vous pouvez utiliser pour déterminer quels condensateurs utiliser avec votre cristal. Chaque condensateur devrait être le double de la valeur de la capacité de charge, moins toute capacité parasite. Les valeurs de capacité parasite ont tendance à être de plusieurs pF. N'oubliez pas d'inclure des condensateurs de découplage lorsque vous faites des connexions entre vos pistes de signal d'horloge et d'autres CI sur la carte.

Évitez les Vias sur les Lignes de Signal d'Horloge

Les vias peuvent agir comme des discontinuités capacitives ou inductives dans les lignes de trace. Cela signifie que les traces transportant des signaux d'horloge peuvent se réfléchir sur les vias et causer des problèmes d'intégrité de signal. Il est recommandé que les signaux de fréquence plus élevée produits par les oscillateurs à quartz ne soient pas routés à travers des vias si possible. Si des vias doivent être utilisés afin de maintenir le facteur de forme, les traces et les vias doivent être adaptés en impédance pour éviter la réflexion.

L'adaptation d'impédance entre les vias et les pistes peut être réalisée en minimisant ou en éliminant les stubs dans les vias. Le stub inutilisé agit comme une ligne de transmission non terminée avec une dégradation significative du signal autour de sa fréquence de résonance. Les stubs ne servent généralement à aucun but utile et peuvent être retirés par le perçage arrière. Cependant, le perçage arrière nécessite une étape de fabrication supplémentaire et peut augmenter les coûts de fabrication.

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