Кварцевые генераторы в вашей печатной плате обеспечивают стабильность частот

На протяжении большей части истории человечества мы полагались на астрономические методы измерения времени для планирования нашей жизни. Теперь у нас есть сложные часы, которые помогают нам управлять повседневной жизнью. Поскольку современная жизнь становится всё более насыщенной, нам нужно отслеживать доли секунды. Руководства по размещению кристаллических осцилляторов на электронных печатных платах являются секретным ингредиентом, который делает это возможным.

Выходной сигнал часов от осциллятора Шмитта или таймера 555 контролируется с помощью временной постоянной RC. Проблема использования этих схем заключается в том, что значения резисторов и развязывающих конденсаторов не остаются постоянными со временем. Как сопротивление, так и ёмкость могут изменяться в зависимости от температуры печатной платы. Компоненты также могут деградировать со временем. Эти факторы приводят к дрейфу частоты часов со временем.

Если стабильность и точность частоты критичны, лучшим выбором будет кварцевый осциллятор. Кварц, вырезанный определённой формы, может колебаться на определённой резонансной частоте, и эта частота очень стабильна при изменении температуры. Кварцевые осцилляторы могут выдавать стабильные частоты в диапазоне от кГц до МГц, если их правильно разместить и подключить на вашей печатной плате.

Любая цифровая система, использующая тактовый сигнал, представляет собой проектные вызовы. Это особенно актуально для печатных плат (PCB), где такие проблемы, как паразитная емкость и отражение сигнала, могут ухудшать целостность сигнала. Некоторые из этих проектных проблем становятся более актуальными на высоких частотах. К счастью, существуют некоторые стратегии проектирования, которые помогут поддерживать целостность сигнала в ваших разработках.

Минимизация задержки распространения и сдвига тактового сигнала

Переключение в логических схемах, особенно в устройствах логики TTL и CMOS, приводит к накоплению задержек распространения вниз по потоку от выхода тактового сигнала. Хотя это обычно измеряется порядком наносекунд, это становится сопоставимым с шириной импульсов тактового сигнала в высокочастотных схемах.

Сдвиг тактового сигнала может происходить независимо от используемого тактового сигнала в устройстве. Различия в длинах трасс вызывают накопление временных задержек, поскольку сигналы тактового сигнала направляются к различным электрическим компонентам. Когда сдвиг тактового сигнала сочетается с задержкой распространения, несоответствие между импульсами тактового сигнала в параллельных трассах может быть значительным.

Сдвиг тактового сигнала и задержку распространения можно компенсировать, регулируя длину сигнальных трасс. Дифференциальные длины трасс между последовательными компонентами должны быть сделаны равными для минимизации сдвига тактового сигнала. Определенные параллельные трассы могут содержать разное количество компонентов, и задержку распространения каждого компонента следует учитывать при размещении трасс на вашей печатной плате.

Избегайте сдвига тактового сигнала, согласуя параллельные дорожки

Размещение земляного слоя

Некоторые разработчики печатных плат могут иметь тенденцию прокладывать свои линии питания и сигнальные трассы непосредственно над земляным слоем. Это не рекомендуется, поскольку неправильное размещение земляного слоя может привести к тому, что ваша схема тактирования будет функционировать как антенна. Не только схема будет подвержена внешнему ЭМИ, но и сама схема будет излучать радиочастотное излучение, которое может вызвать ЭМИ в других близлежащих схемах.

Для определенной частоты тактирования толщина земляного слоя составляет всего 1/2 длины волны. Поскольку кварцевый генератор на самом деле является широкополосным источником тока, сигнал тактирования и его возвратные токи содержат полосу высокочастотных компонентов. Если эти токи разрешить течь через земляной слой, вы только что создали антенну с питанием от центра.

Если полоса сигнала тактирования перекрывается с одной из резонансных частот земляного слоя, в земляном слое может быть сгенерирован сильный ток. Но если вы разделите плоскости питания и земли, излучение из-за высокочастотных токовых петель будет уменьшено. Это также снизит восприимчивость к внешнему ЭМИ.

Разделите ваши земляные и питающие плоскости, чтобы уменьшить ЭМИ

Используйте правильные конденсаторы

Целостность сигнала от вашего кварцевого генератора может быть поддержана с использованием двух конденсаторов. Один должен быть подключен между выводом высокого напряжения и земляной плоскостью, а другой - между выводом земли и земляной плоскостью. Вам нужно будет подобрать конденсаторы, соответствующие выбранному вами кварцу. Требуемая емкость варьируется для разных моделей генераторов, даже в пределах одного производителя.

Ваш кварцевый генератор будет включать спецификацию емкости нагрузки (обычно 20 до 50 пФ), которую вы можете использовать для определения, какие конденсаторы использовать с вашим кварцем. Каждый конденсатор должен быть в два раза больше значения емкости нагрузки, за вычетом любой паразитной емкости. Значения паразитной емкости, как правило, составляют несколько пФ. Не забудьте включить байпасные конденсаторы, когда вы делаете соединения между вашими дорожками сигнала часов и другими ИС на плате.

Избегайте переходных отверстий на линиях сигнала часов

Переходные отверстия могут действовать как емкостные или индуктивные разрывы в дорожках. Это означает, что дорожки, по которым проходят сигналы часов, могут отражаться от переходных отверстий и вызывать проблемы с целостностью сигнала. Рекомендуется, чтобы сигналы более высокой частоты, производимые кварцевыми генераторами, по возможности не проходили через переходные отверстия. Если использование переходных отверстий необходимо для сохранения форм-фактора, дорожки и переходные отверстия должны быть согласованы по импедансу, чтобы предотвратить отражение.

Согласование импеданса между переходными отверстиями (виас) и дорожками может быть достигнуто за счет минимизации или устранения оставшихся частей (стабов) в переходных отверстиях. Неиспользуемый стаб действует как незаконченная линия передачи с значительным ухудшением сигнала вокруг его резонансной частоты. Стабы обычно не выполняют никакой полезной функции и могут быть удалены путем обратного сверления. Однако, обратное сверление требует дополнительного этапа производства и может увеличить производственные затраты.

Altium Designer обладает продвинутыми функциями для прокладки и анализа путей сигналов в вашем дизайне печатной платы. Инструмент PDN Analyzer^™ позволяет анализировать пути сигналов в вашем дизайне и диагностировать проблемы на раннем этапе. Чтобы узнать больше о том, как Altium Designer может помочь вам в разработке вашего следующего высокоскоростного устройства, поговорите с экспертом Altium Designer уже сегодня.