Osciladores de Cristal no Layout da sua PCB Mantêm as Frequências Estáveis

Por grande parte da história humana, confiamos na cronometragem astronômica para planejar nossas vidas. Agora, temos relógios sofisticados que nos ajudam a gerenciar o dia a dia. À medida que a vida moderna se torna cada vez mais frenética, precisamos acompanhar frações de segundo. As diretrizes para o layout de PCB com oscilador de cristal são o segredo que torna isso possível.

O sinal de relógio de saída de um oscilador Schmitt-trigger ou de um temporizador 555 é controlado usando uma constante de tempo RC. O problema em usar esses circuitos é que os valores do resistor e do capacitor de desacoplamento não permanecem constantes ao longo do tempo. Tanto a resistência quanto a capacitância podem mudar com a temperatura da placa de circuito. Os componentes também podem se degradar com o tempo. Esses fatores causam a deriva da frequência do relógio ao longo do tempo.

Se a estabilidade e a precisão da frequência são críticas, um oscilador de cristal é uma escolha melhor. Um cristal de quartzo cortado em uma forma específica pode vibrar em uma frequência ressonante específica, e essa frequência é altamente estável contra mudanças de temperatura. Osciladores de cristal podem fornecer frequências estáveis que variam de kHz a MHz se colocados e conectados corretamente em seu PCB.

Qualquer sistema digital que utilize um relógio apresenta desafios de design. Isso é especialmente verdadeiro em PCBs, onde questões como capacitância parasita e reflexão de sinal podem degradar a integridade do sinal. Alguns desses problemas de design tornam-se mais prementes em altas frequências. Felizmente, existem algumas estratégias de design que ajudarão a manter a integridade do sinal em seus projetos.

Minimizando o Atraso de Propagação e o Desvio de Relógio

A comutação em circuitos lógicos, particularmente em dispositivos lógicos TTL e CMOS, causa o acúmulo de atrasos de propagação a jusante da saída do relógio. Embora isso tenda a ser na ordem de nanossegundos, torna-se comparável à largura dos pulsos de relógio em circuitos de alta frequência.

O desvio de relógio pode ocorrer independentemente do relógio que é usado no dispositivo. Variações no comprimento das trilhas causam a acumulação de atrasos de tempo à medida que os sinais de relógio são roteados para vários componentes elétricos. Quando o desvio de relógio é combinado com o atraso de propagação, o descompasso entre os pulsos de relógio em trilhas paralelas pode ser significativo.

O desvio de relógio e o atraso de propagação podem ser compensados ajustando o comprimento das trilhas de sinal. Os comprimentos diferenciais de trilhas entre componentes sucessivos devem ser igualados para minimizar o desvio de relógio. Certas trilhas paralelas podem conter diferentes números de componentes, e o atraso de propagação de cada componente deve ser considerado ao posicionar trilhas em sua Placa de Circuito Impresso.

Evite a distorção de clock combinando trilhas paralelas

Posicionamento do Plano de Terra

Alguns projetistas de PCB podem ter a tendência de conduzir suas trilhas de alimentação e sinal diretamente sobre o plano de terra. Isso não é recomendado, pois um posicionamento incorreto do plano de terra pode fazer com que seu circuito de clock funcione como uma antena. Não apenas o circuito será suscetível a EMI externa, mas o circuito também produzirá radiação RF que pode causar EMI em outros circuitos próximos.

Para uma frequência de clock específica, a espessura do plano de terra é de apenas 1/2 comprimento de onda. Como o oscilador de cristal é realmente uma fonte de corrente de banda larga, o sinal de clock e suas correntes de retorno contêm ambos uma banda de componentes de alta frequência. Se essas correntes forem permitidas fluir através do plano de terra, você acaba de criar uma antena de patch alimentada pelo centro.

Se a banda do sinal de clock se sobrepuser a uma das frequências ressonantes do plano de terra, uma corrente forte pode ser gerada no plano de terra. Mas, se você separar os planos de alimentação e terra, a radiação devido a laços de corrente de alta frequência será reduzida. Isso também reduzirá a suscetibilidade a EMI externa.

Se pare os seus planos de terra e alimentação para reduzir a EMI

Use os Capacitores Corretos

A integridade do sinal do seu oscilador de cristal pode ser mantida usando dois capacitores. Um deve ser conectado entre o pino de alta tensão e o plano de terra, e outro entre o pino de terra e o plano de terra. Você precisará combinar os capacitores com o cristal específico que escolheu. A capacitância necessária varia para diferentes modelos de oscilador, mesmo dentro do mesmo fabricante.

Seu oscilador de cristal incluirá uma especificação de capacitância de carga (geralmente de 20 a 50 pF) que você pode usar para determinar quais capacitores usar com seu cristal. Cada capacitor deve ser o dobro do valor da capacitância de carga, menos qualquer capacitância parasita. Os valores de capacitância parasita tendem a ser de vários pF. Não se esqueça de incluir capacitores de desacoplamento quando fizer conexões entre suas trilhas de sinal de relógio e outros CI no placa.

Evite Vias nas Linhas de Sinal de Relógio

Vias podem atuar como descontinuidades capacitivas ou indutivas em linhas de trilha. Isso significa que trilhas carregando sinais de relógio podem refletir em vias e causar problemas de integridade de sinal. É recomendado que sinais de frequência mais alta produzidos por osciladores de cristal não sejam roteados através de vias, se possível. Se vias precisarem ser usadas para manter o fator de forma, as trilhas e vias devem ser combinadas em impedância para prevenir reflexão.

A correspondência de impedância entre vias e trilhas pode ser feita minimizando ou eliminando os stubs nas vias. O stub não utilizado age como uma linha de transmissão não terminada com degradação significativa do sinal em torno de sua frequência ressonante. Geralmente, os stubs não servem a nenhum propósito útil e podem ser removidos por retroperfuração. No entanto, a retroperfuração requer uma etapa extra de fabricação e pode aumentar os custos de produção.

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