Bộ dao động thạch anh trong Bố trí PCB Giữ Ổn định Tần số

Trong phần lớn lịch sử loài người, chúng ta đã dựa vào việc đo thời gian bằng cách quan sát các hiện tượng thiên văn để sắp xếp cuộc sống. Ngày nay, chúng ta có những chiếc đồng hồ tinh vi giúp quản lý cuộc sống hàng ngày. Khi cuộc sống hiện đại trở nên hối hả hơn bao giờ hết, chúng ta cần theo dõi từng phần nhỏ của giây. Hướng dẫn về bố trí mạch in pcb cho dao động kỹ thuật số là bí quyết giúp điều này trở nên khả thi.

Tín hiệu đồng hồ đầu ra từ một dao động Schmitt-trigger hoặc bộ hẹn giờ 555 được kiểm soát bằng hằng số thời gian RC. Vấn đề khi sử dụng các mạch này là giá trị của điện trở và tụ điện lọc không ổn định theo thời gian. Cả điện trở và dung lượng có thể thay đổi theo nhiệt độ của bảng mạch. Các linh kiện cũng có thể xuống cấp theo thời gian. Những yếu tố này khiến tần số của đồng hồ thay đổi theo thời gian.

Nếu độ ổn định và chính xác của tần số là quan trọng, một dao động kỹ thuật số là lựa chọn tốt hơn. Một tinh thể quartz được cắt thành hình dạng cụ thể có thể rung động ở một tần số cộng hưởng cụ thể, và tần số này rất ổn định trước sự thay đổi của nhiệt độ. Dao động kỹ thuật số có thể cung cấp tần số ổn định từ kHz đến MHz nếu được đặt và kết nối đúng cách trong PCB của bạn.

Bất kỳ hệ thống số nào sử dụng đồng hồ đều đặt ra những thách thức trong thiết kế. Điều này đặc biệt đúng với PCB, nơi các vấn đề như dung kháng nhiễu và phản xạ tín hiệu có thể làm giảm chất lượng tín hiệu. Một số vấn đề thiết kế này trở nên cấp bách hơn ở tần số cao. May mắn thay, có một số chiến lược thiết kế sẽ giúp duy trì chất lượng tín hiệu trong các thiết kế của bạn.

Giảm Thiểu Độ Trễ Truyền và Lệch Đồng Hồ

Việc chuyển mạch trong các mạch logic, đặc biệt là trong các thiết bị logic TTL và CMOS, gây ra việc tích tụ độ trễ truyền từ đầu ra đồng hồ xuống dòng. Mặc dù điều này có xu hướng nằm trong khoảng của nanogiây, nó trở nên tương đương với độ rộng của các xung đồng hồ trong các mạch tần số cao.

Lệch đồng hồ có thể xảy ra bất kể đồng hồ nào được sử dụng trong thiết bị. Sự biến thiên về chiều dài của các đường dẫn gây ra sự tích tụ độ trễ thời gian khi các tín hiệu đồng hồ được định tuyến đến các thành phần điện tử khác nhau. Khi lệch đồng hồ kết hợp với độ trễ truyền, sự không khớp giữa các xung đồng hồ trong các đường dẫn song song có thể đáng kể.

Lệch đồng hồ và độ trễ truyền có thể được bù đắp bằng cách điều chỉnh chiều dài của đường dẫn tín hiệu. Chiều dài đường dẫn khác biệt giữa các thành phần kế tiếp nên được làm bằng nhau để giảm thiểu lệch đồng hồ. Một số đường dẫn song song có thể chứa số lượng thành phần khác nhau, và độ trễ truyền của từng thành phần nên được xem xét khi đặt đường dẫn trên Bảng Mạch In của bạn.

Tránh lệch đồng hồ bằng cách khớp các đường dẫn song song

Vị trí Đặt Mặt Đất

Một số nhà thiết kế PCB có xu hướng chạy các đường dẫn nguồn và tín hiệu của họ trực tiếp trên mặt đất của họ. Điều này không được khuyến khích vì việc đặt mặt đất không chính xác có thể khiến mạch đồng hồ của bạn hoạt động như một ăng-ten. Không chỉ mạch sẽ dễ bị EMI bên ngoài, mà mạch cũng sẽ phát ra bức xạ RF có thể gây ra EMI trong các mạch lân cận khác.

Đối với một tần số đồng hồ cụ thể, độ dày của mặt đất chỉ bằng 1/2 bước sóng. Vì dao động thạch anh thực sự là một nguồn dòng rộng băng, tín hiệu đồng hồ và các dòng trở lại của nó đều chứa một băng tần thành phần tần số cao. Nếu những dòng này được phép chảy qua mặt đất, bạn vừa tạo ra một ăng-ten vá dạng trung tâm.

Nếu băng tần tín hiệu đồng hồ chồng lấn với một trong những tần số cộng hưởng của mặt đất, một dòng mạnh có thể được tạo ra trong mặt đất. Nhưng nếu bạn tách biệt mặt đất và mặt nguồn, bức xạ do các vòng dòng tần số cao sẽ được giảm bớt. Điều này cũng sẽ giảm sự nhạy cảm với EMI bên ngoài.

Tách biệt mặt đất và mặt nguồn của bạn để giảm EMI

Sử dụng Tụ Điện Đúng Cách

Tính toàn vẹn tín hiệu từ dao động thạch anh của bạn có thể được duy trì bằng cách sử dụng hai tụ điện. Một tụ nên được kết nối giữa chân điện áp cao và mặt đất, và tụ còn lại giữa chân mặt đất và mặt đất. Bạn cần phải chọn các tụ điện phù hợp với dao động thạch anh mà bạn đã chọn. Dung lượng cần thiết thay đổi đối với các mô hình dao động khác nhau, ngay cả trong cùng một nhà sản xuất.

Dao động thạch anh của bạn sẽ bao gồm thông số dung lượng tải (thường là 20 đến 50 pF) mà bạn có thể sử dụng để xác định tụ điện nào sẽ sử dụng với dao động thạch anh của mình. Mỗi tụ điện nên gấp đôi giá trị dung lượng tải, trừ bất kỳ dung lượng lạc đường nào. Giá trị dung lượng lạc đường thường là vài pF. Đừng quên bao gồm tụ điện bypass khi bạn thực hiện kết nối giữa các đường dẫn tín hiệu đồng hồ và các IC khác trên bảng mạch.

Tránh Vias trên Đường Dẫn Tín Hiệu Đồng Hồ

Vias có thể hoạt động như những gián đoạn dung kháng hoặc cảm kháng trên các đường dẫn. Điều này có nghĩa là các đường dẫn mang tín hiệu đồng hồ có thể phản xạ từ vias và gây ra vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu. Được khuyến nghị rằng các tín hiệu tần số cao hơn được sản xuất bởi dao động thạch anh không nên được định tuyến qua vias nếu có thể. Nếu vias phải được sử dụng để duy trì hình dạng, các đường dẫn và vias phải được khớp trở kháng để ngăn chặn phản xạ.

Việc khớp trở kháng giữa vias và đường dẫn có thể được thực hiện bằng cách giảm thiểu hoặc loại bỏ các stub trong vias. Stub không sử dụng hoạt động như một đường truyền không kết thúc với sự suy giảm tín hiệu đáng kể xung quanh tần số cộng hưởng của nó. Stubs nói chung không phục vụ bất kỳ mục đích hữu ích nào và có thể được loại bỏ bằng cách khoan ngược. Tuy nhiên, khoan ngược đòi hỏi một bước sản xuất thêm và có thể làm tăng chi phí sản xuất.

Altium Designer^® có chức năng tiên tiến để định tuyến và phân tích các đường dẫn tín hiệu trong thiết kế PCB của bạn. Công cụ PDN Analyzer^™ cho phép bạn phân tích các đường dẫn tín hiệu trong thiết kế của mình và chẩn đoán sớm các vấn đề. Để tìm hiểu thêm về cách Altium Designer có thể giúp bạn thiết kế thiết bị tốc độ cao tiếp theo của mình, hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium Designer ngày hôm nay.