Kwarcowe oscylatory na Twojej płytce PCB utrzymują stabilną częstotliwość

Przez większą część historii ludzkości polegaliśmy na astronomicznym pomiarze czasu do planowania naszego życia. Teraz mamy do dyspozycji zaawansowane zegary, które pomagają nam zarządzać codziennym życiem. W miarę jak współczesne życie staje się coraz bardziej gorączkowe, musimy śledzić ułamki sekundy. Wytyczne dotyczące układu płytek PCB z oscylatorem kwarcowym to sekretny składnik, który to umożliwia.

Sygnał zegarowy z oscylatora Schmitta lub timera 555 jest kontrolowany za pomocą stałej czasowej RC. Problem z użyciem tych obwodów polega na tym, że wartości rezystora i kondensatora sprzęgającego nie pozostają stałe w czasie. Zarówno rezystancja, jak i pojemność mogą zmieniać się wraz z temperaturą płytki obwodu. Komponenty mogą również degradować w miarę starzenia się. Te czynniki powodują, że częstotliwość zegara z czasem dryfuje.

Jeśli stabilność i dokładność częstotliwości są kluczowe, lepszym wyborem jest oscylator kwarcowy. Kryształ kwarcu wycięty w określony kształt może wibrować z określoną częstotliwością rezonansową, a ta częstotliwość jest wysoce stabilna wobec zmian temperatury. Oscylatory kwarcowe mogą wytwarzać stabilne częstotliwości w zakresie od kHz do MHz, jeśli są odpowiednio umieszczone i połączone na PCB.

Każdy cyfrowy system wykorzystujący zegar stwarza wyzwania projektowe. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku PCB, gdzie problemy takie jak pojemność pasożytnicza i odbicia sygnału mogą pogarszać integralność sygnału. Niektóre z tych problemów projektowych stają się bardziej palące przy wysokich częstotliwościach. Na szczęście istnieją pewne strategie projektowe, które pomogą utrzymać integralność sygnału w twoich projektach.

Minimalizacja opóźnienia propagacji i skosu zegara

Przełączanie w obwodach logicznych, szczególnie w urządzeniach logicznych TTL i CMOS, powoduje kumulację opóźnień propagacji w dół od wyjścia zegara. Chociaż zazwyczaj ma to miejsce w skali nanosekund, staje się porównywalne z szerokością impulsów zegarowych w obwodach wysokich częstotliwości.

Skos zegara może wystąpić niezależnie od używanego zegara w urządzeniu. Różnice w długościach ścieżek powodują kumulację opóźnień czasowych, gdy sygnały zegarowe są kierowane do różnych komponentów elektrycznych. Gdy skos zegara łączy się z opóźnieniem propagacji, niedopasowanie między impulsami zegarowymi w równoległych ścieżkach może być znaczące.

Skos zegara i opóźnienie propagacji można kompensować, dostosowując długość ścieżek sygnałowych. Różnice w długościach ścieżek między kolejnymi komponentami powinny być wyrównane, aby zminimalizować skos zegara. Pewne równoległe ścieżki mogą zawierać różną liczbę komponentów, i opóźnienie propagacji każdego komponentu powinno być brane pod uwagę przy rozmieszczaniu ścieżek na twojej Drukowanej Płycie Obwodowej.

Unikaj przesunięcia zegara, dopasowując równoległe ścieżki

Umieszczenie płaszczyzny masy

Niektórzy projektanci PCB mogą mieć tendencję do prowadzenia swoich ścieżek zasilania i sygnałowych bezpośrednio nad ich płaszczyzną masy. Nie jest to zalecane, ponieważ nieprawidłowe umieszczenie płaszczyzny masy może spowodować, że obwód zegara będzie funkcjonował jak antena. Obwód nie tylko będzie podatny na zewnętrzne EMI, ale również będzie wytwarzał promieniowanie RF, które może powodować EMI w innych pobliskich obwodach.

Dla określonej częstotliwości zegara grubość płaszczyzny masy wynosi tylko 1/2 długości fali. Ponieważ oscylator kwarcowy jest naprawdę szerokopasmowym źródłem prądu, sygnał zegara i jego prądy zwrotne zawierają pasmo wysokich częstotliwości. Jeśli te prądy będą przepływać przez płaszczyznę masy, właśnie stworzyłeś antenę patch z zasilaniem centralnym.

Jeśli pasmo sygnału zegara pokrywa się z jedną z rezonansowych częstotliwości płaszczyzny masy, w płaszczyźnie masy może zostać wygenerowany silny prąd. Ale jeśli oddzielisz płaszczyzny zasilania i masy, promieniowanie spowodowane przez pętle prądów wysokiej częstotliwości zostanie zredukowane. Zmniejszy to również podatność na zewnętrzne EMI.

Oddziel swoje płaszczyzny masy i zasilania, aby zredukować EMI

Użyj odpowiednich kondensatorów

Integralność sygnału z Twojego oscylatora kwarcowego można utrzymać, używając dwóch kondensatorów. Jeden powinien być podłączony między pinem wysokiego napięcia a płytą masową, a drugi między pinem masy a płytą masową. Musisz dopasować kondensatory do konkretnego kryształu, który wybrałeś. Wymagana pojemność różni się dla różnych modeli oscylatorów, nawet w obrębie tego samego producenta.

Twój oscylator kwarcowy będzie zawierał specyfikację pojemności obciążenia (zazwyczaj 20 do 50 pF), którą możesz użyć, aby określić, które kondensatory użyć z Twoim kryształem. Każdy kondensator powinien mieć podwójną wartość pojemności obciążenia, minus jakakolwiek pojemność pasożytnicza. Wartości pojemności pasożytniczej zazwyczaj wynoszą kilka pF. Nie zapomnij dołączyć kondensatorów obejściowych, kiedy wykonujesz połączenia między ścieżkami sygnału zegarowego a innymi układami scalonymi na płytce.

Unikaj Przewiązań na Liniach Sygnału Zegarowego

Przewiązania mogą działać jako pojemnościowe lub indukcyjne nieciągłości w liniach ścieżek. Oznacza to, że ścieżki przenoszące sygnały zegarowe mogą odbijać się od przewiązań i powodować problemy z integralnością sygnału. Zaleca się, aby sygnały o wyższej częstotliwości produkowane przez oscylatory kwarcowe nie były prowadzone przez przewiązania, jeśli to możliwe. Jeśli użycie przewiązań jest konieczne, aby utrzymać formę, ścieżki i przewiązania muszą być dopasowane impedancyjnie, aby zapobiec odbiciom.

Dopasowanie impedancji między przelotkami a ścieżkami można osiągnąć, minimalizując lub eliminując zbędne części przelotek. Nieużywana część przelotki działa jak niezakończona linia transmisyjna z znacznym pogorszeniem sygnału wokół jej częstotliwości rezonansowej. Zbędne części przelotek generalnie nie pełnią żadnej użytecznej funkcji i mogą być usunięte przez wiercenie zwrotne. Jednakże, wiercenie zwrotne wymaga dodatkowego etapu produkcji i może zwiększyć koszty wytworzenia.

Altium Designer posiada zaawansowane funkcje do trasowania i analizy ścieżek sygnałowych w projektowaniu PCB. Narzędzie PDN Analyzer^™ pozwala analizować ścieżki sygnałowe w twoim projekcie i diagnozować problemy na wczesnym etapie. Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium Designer może pomóc Ci zaprojektować Twoje następne urządzenie wysokiej prędkości, porozmawiaj z ekspertem Altium Designer już dziś.