Gli oscillatori a cristallo nel layout del tuo PCB mantengono le frequenze stabili

Per la maggior parte della storia umana, ci siamo affidati alla misurazione del tempo astronomica per pianificare le nostre vite. Ora disponiamo di orologi sofisticati che ci aiutano a gestire la vita quotidiana. Man mano che la vita moderna diventa sempre più frenetica, abbiamo bisogno di tenere traccia delle frazioni di secondo. Le linee guida per l'oscillatore a cristallo nel layout di pcb elettronici sono il segreto che rende questo possibile.

Il segnale di orologio in uscita da un oscillatore a trigger di Schmitt o da un timer 555 è controllato utilizzando una costante di tempo RC. Il problema nell'usare questi circuiti è che i valori del resistore e del condensatore di disaccoppiamento non rimangono costanti nel tempo. Sia la resistenza che la capacità possono cambiare con la temperatura della scheda di circuito. Anche i componenti possono degradarsi con l'età. Questi fattori causano una deriva della frequenza dell'orologio nel tempo.

Se la stabilità e l'accuratezza della frequenza sono critiche, un oscillatore a cristallo è una scelta migliore. Un cristallo di quarzo tagliato in una forma specifica può vibrare a una frequenza di risonanza specifica, e questa frequenza è altamente stabile contro i cambiamenti di temperatura. Gli oscillatori a cristallo possono fornire frequenze stabili che vanno da kHz a MHz se posizionati e connessi correttamente nel vostro PCB.

Ogni sistema digitale che utilizza un orologio presenta delle sfide progettuali. Questo è particolarmente vero nelle PCB, dove problemi come la capacità parassita e la riflessione del segnale possono degradare l'integrità del segnale. Alcuni di questi problemi di progettazione diventano più pressanti ad alte frequenze. Fortunatamente, esistono alcune strategie di progettazione che aiuteranno a mantenere l'integrità del segnale nei tuoi progetti.

Minimizzare il Ritardo di Propagazione e lo Sfasamento dell'Orologio

La commutazione nei circuiti logici, in particolare nei dispositivi logici TTL e CMOS, causa l'accumulo di ritardi di propagazione a valle dall'uscita dell'orologio. Sebbene questo tenda ad essere nell'ordine dei nanosecondi, diventa comparabile alla larghezza degli impulsi dell'orologio nei circuiti ad alta frequenza.

Lo sfasamento dell'orologio può verificarsi indipendentemente dall'orologio utilizzato nel dispositivo. Le variazioni nelle lunghezze delle tracce causano l'accumulo di ritardi temporali mentre i segnali dell'orologio vengono instradati verso vari componenti elettrici. Quando lo sfasamento dell'orologio si combina con il ritardo di propagazione, la discrepanza tra gli impulsi dell'orologio nelle tracce parallele può essere significativa.

Lo sfasamento dell'orologio e il ritardo di propagazione possono essere compensati regolando la lunghezza delle tracce del segnale. Le lunghezze delle tracce differenziali tra componenti successivi dovrebbero essere rese uguali per minimizzare lo sfasamento dell'orologio. Alcune tracce parallele possono contenere un numero diverso di componenti, e il ritardo di propagazione di ogni componente dovrebbe essere considerato quando si posizionano le tracce sulla tua scheda a circuito stampato.

Evita lo sfasamento dell'orologio abbinando tracce parallele

Posizionamento del piano di massa

Alcuni progettisti di PCB potrebbero avere la tendenza a far passare le loro tracce di alimentazione e di segnale direttamente sopra il loro piano di massa. Questo non è consigliato poiché un posizionamento errato del piano di massa può causare il funzionamento del circuito dell'orologio come un'antenna. Non solo il circuito sarà suscettibile a EMI esterne, ma il circuito produrrà anche radiazioni RF che possono causare EMI in altri circuiti vicini.

Per una particolare frequenza dell'orologio, lo spessore del piano di massa è solo di 1/2 lunghezza d'onda. Poiché l'oscillatore a cristallo è davvero una sorgente di corrente a banda larga, il segnale dell'orologio e le sue correnti di ritorno contengono entrambi una banda di componenti ad alta frequenza. Se queste correnti sono permesse di fluire attraverso il piano di massa, hai appena creato un'antenna a patch alimentata al centro.

Se la banda del segnale dell'orologio si sovrappone con una delle frequenze di risonanza del piano di massa, una forte corrente può essere generata nel piano di massa. Ma se separi i piani di alimentazione e di massa, la radiazione dovuta ai circuiti ad alta frequenza sarà ridotta. Questo ridurrà anche la suscettibilità a EMI esterne.

Separate i vostri piani di massa e di alimentazione per ridurre l'EMI

Usa i condensatori giusti

L'integrità del segnale dal tuo oscillatore a cristallo può essere mantenuta utilizzando due condensatori. Uno dovrebbe essere connesso tra il pin di alta tensione e il piano di massa, e un altro tra il pin di massa e il piano di massa. Dovrai abbinare i condensatori al cristallo specifico che hai scelto. La capacità richiesta varia per diversi modelli di oscillatore, anche all'interno dello stesso produttore.

Il tuo oscillatore a cristallo includerà una specifica di capacità di carico (solitamente da 20 a 50 pF) che puoi utilizzare per determinare quali condensatori usare con il tuo cristallo. Ogni condensatore dovrebbe essere il doppio del valore della capacità di carico, meno qualsiasi capacità parassita. I valori di capacità parassita tendono ad essere di diversi pF. Non dimenticare di includere condensatori di bypass quando effettui collegamenti tra le tracce del segnale di orologio e altri IC sulla scheda.

Evita le Vias sulle Linee del Segnale di Orologio

Le vias possono agire come discontinuità capacitive o induttive nelle linee di traccia. Questo significa che le tracce che trasportano segnali di orologio possono riflettersi sulle vias e causare problemi di integrità del segnale. Si raccomanda che i segnali ad alta frequenza prodotti dagli oscillatori a cristallo non siano instradati attraverso le vias se possibile. Se le vias devono essere utilizzate per mantenere il fattore di forma, le tracce e le vias devono essere abbinate in impedenza per prevenire riflessioni.

L'adattamento dell'impedenza tra vie e tracce può essere ottenuto minimizzando o eliminando gli stub nelle vie. Lo stub inutilizzato si comporta come una linea di trasmissione non terminata con un significativo degrado del segnale intorno alla sua frequenza di risonanza. Gli stub generalmente non servono a nessuno scopo utile e possono essere rimossi mediante il back drilling. Tuttavia, il back drilling richiede un passaggio di fabbricazione aggiuntivo e può aumentare i costi di produzione.

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