PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法を説明する

水晶発振器をデジタル回路の心臓部に例えることがよくあります。 これは、デジタル回路のすべての作業をクロック信号から切り離すことができないためです。 水晶発振器は、システム全体を直接制御します。 水晶発振器が動作しなければ、システム全体が麻痺します。 したがって、水晶発振器は、デジタル回路の作業を開始するための前提条件です。 このホワイト ペーパーでは、PCB 設計で水晶発振器のレイアウトを適切に行う方法について説明します。

よく水晶振動子とは、水晶振動子や水晶振動子のことを言いますが、どちらも水晶の圧電効果を利用して作られています。 水晶振動子の 2 つの電極に電界を加えると、水晶振動子が機械的に変形します。 逆に、結晶の両側に機械的圧力を加えると、結晶に電界が発生します。 さらに、これら 2 つの現象は可逆的です。 この特徴を利用して、水晶の両側に交流電圧を印加すると、チップは機械的振動と交流電場を同時に発生します。 このような振動や電場は一般的には小さいのですが、ある周波数で振幅が大きくなり、よく見かける液晶回路の共振と同様に圧電共振と呼ばれます。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

デジタル回路の心臓部として、水晶発振器はインテリジェント製品でどのような役割を果たしますか? エアコン、カーテン、セキュリティ、監視などのスマートホーム製品には、ワイヤレス伝送モジュールが必要です。 Bluetooth、WIFI、または ZIGBEE プロトコルを介して一方の端から他方の端までモジュールを送信するか、携帯電話を介してモジュールを直接制御します。 水晶発振器は、システム全体の安定性に影響を与えるワイヤレス モジュールのコア コンポーネントです。 したがって、システムで使用する水晶発振器を選択することで、デジタル回路の成否が決まります。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

デジタル回路における水晶発振器の重要性のため、使用および設計の際には注意が必要です。

1. 水晶振動子の内部には水晶振動子が入っており、外部からの衝撃や落下により割れやすく破損しやすく、水晶振動子が振動しなくなる原因となります。 したがって、回路を設計する際には、水晶振動子の確実な取り付けを考慮する必要があり、水晶振動子の配置は、基板の端や機器のシェルなどにできるだけ近づけないでください。

2. 手溶接または機械溶接の場合、溶接温度に注意してください。 水晶発振器は温度に敏感です。 PCB 溶接中は温度が高すぎてはならず、加熱時間はできるだけ短くする必要がありますか?

PCB設計の合理的な水晶発振器レイアウトは、システム放射干渉を抑制することができます

1、 問題の説明

本製品はフィールドカメラで、コア制御基板、センサー基板、カメラ、SDメモリーカード、バッテリーの5つのパーツで構成されています。 シェルはプラスチックシェルです。 小さなボードには、DC5V 外部電源インターフェイスとデータ転送用の USB インターフェイスの 2 つのインターフェイスしかありません。 放射試験により、約33MHzの高調波ノイズ放射の問題があることがわかりました。

元のテスト データは次のとおりです。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

2、問題を分析する

この製品のシェル構造は、非シールド材料であるプラスチック シェルです。 マシン全体のテスト中、電力線と USB 線のみがシェルから出ています。 電源ラインやUSBラインから妨害周波数が放射されていませんか？ したがって、次のテストが実施されました。

（1）電力線に磁気リングのみが追加され、テスト結果は改善が明らかではないことを示しています。

(2) USB ケーブルに磁気リングのみを追加した場合のテスト結果: 改善はまだ明らかではありません。

（3）USBケーブルと電源ケーブルに磁気リングを追加し、テスト結果は改善が明らかであり、干渉周波数ポイントが全体的に減少したことを示しています。

上記から、干渉周波数ポイントは、電源インターフェイスまたは USB インターフェイスではなく、2 つのインターフェイスから引き出されることがわかりますが、内部干渉周波数ポイントはこれら 2 つのインターフェイスに結合されます。 1 つのインターフェースをシールドするだけでは問題を解決できません。

近接場測定により、干渉周波数ポイントはコア制御ボードの 32.768KHz 水晶発振器から来ており、強力な空間放射を生成し、周囲の配線と GND を 32.768KHz 高調波ノイズと結合させ、放射することがわかりました。 インターフェイス USB ケーブルと電源ケーブル。 水晶振動子の問題は、次の 2 つの問題によって引き起こされます。

(1) 水晶振動子がプレートの端に近づきすぎているため、水晶振動子の放射ノイズが発生しやすい。

(2) 水晶振動子の下には信号線があり、水晶振動子と結合する信号線の高調波ノイズにつながる可能性があります。

(3) フィルタ素子が水晶振動子の下に配置されており、フィルタ コンデンサと整合抵抗が信号の流れ方向に沿って配置されていないため、フィルタ素子のフィルタ効果が悪化します。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

3、 ソリューション

分析によると、次の対策が得られます。

(1) 水晶振動子のフィルタ コンデンサと整合抵抗は、CPU チップの近くに配置し、基板の端から離します。

(2) クリスタルの配置エリアとその下の投影エリアに床を敷かないように注意してください。

(3) 水晶のフィルタ コンデンサと整合抵抗は、信号の流れ方向に従って配置され、水晶の近くにきちんとコンパクトに配置されます。

(4) 水晶振動子はチップの近くに配置し、その間の配線はできるだけ短くまっすぐにする。

レイアウトについては、次の図を参照してください。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

修正後のプロトタイプ テスト結果は次のとおりです。

PCB設計で水晶発振器のレイアウトを作成する方法は?

4、結論

現在、多くのシステム水晶発振器は、高いクロック周波数と強い干渉高調波エネルギーを持っています。 入力ラインと出力ラインからの伝導に加えて、干渉高調波は空間からも放射されます。 無理なレイアウトだと強いノイズ放射の問題が発生しやすく、他の方法で解決することは困難です。 したがって、PCB レイアウトでは、水晶発振器と CLK 信号ラインのレイアウトが非常に重要です。

水晶発振器の PCB 設計に関する考慮事項

(1) カップリングコンデンサは、水晶振動子の電源端子のできるだけ近くに次の順序で配置してください。 可能な限り電源ピン。

(2) 水晶発振器のシェルは接地する必要があります。これは、外側に放射するだけでなく、水晶発振器の外部信号の干渉をシールドすることもできます。

(3) 水晶振動子の下には配線を入れないでください。グランドは完全に舗装されています。 同時に、水晶発振器が他の配線、デバイス、層の性能に干渉するのを防ぐために、水晶発振器の 300mil 範囲内での配線は許可されません。

(4) クロック信号の引き回しは極力短くし、配線幅を太くして配線長と熱源からの距離のバランスをとる。

(5) 水晶振動子は、PCB ボードの端に配置しないでください。 基板設計時には、この点に特に注意してください。