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学废晶振系列最终章:晶振电路常见问题分析以及PCB布局讲解

Part 01 前言

关于晶振电路的选型计算,计划用3篇文章详细讲解,这是三篇文章的最后一篇,前两篇文章分享了晶振的类型,负载电容的选型,晶振和MCU匹配度的计算方法,作为晶振系列文章的最后一篇,本篇文章会着重介绍一下晶振的常见问题原因分析,还有就是比较重要的PCB布局讲解。

Part 02 晶振电路常见问题分析

1)晶振过驱动:

所谓过驱动,就是晶振的实际工作电压以及电流过大,功耗过高。晶振出现过驱动会导致辐射干扰更大,功耗增加,工作不稳定,甚至导致晶振物理损坏。低频晶振容易出现这些问题,因为高频晶振的功耗相对较大,换句话说就是工作电流比较大,不容易出现这些问题。假设晶振的峰值电压接地电源电压VDD,可以用如下公式估算晶振的功耗(R1是晶振等效串联电阻):

VDD一般来说就是电源电压,CL和C0分别是晶振的负载电容和寄生电容,但是有些晶振有ALC(幅度限制控制)功能,这个时候VDD电压就不是电源电压,VDD应该用晶振能获得的最大电压幅度来替代:大概是400-600mV。当环境温度降低或者供电电压过大时会出现过驱动的风险,所以晶振的实际功耗需要留有余量。

通过上面的公式我们可以知道,降低晶振功耗的方法:

1.选用R1(ESR)更低的晶振。

2.减小负载电容Cl,但是此方法会导致晶振频率增大,所以要慎重。

3.增大限流电阻Rs。

2)启动时间过长

一般来说低频晶振更容易产生此类问题,原因可能是环路增益不够,也可能和供电电源的电压上升时间(稳定时间)有关系。

3)温度和电压问题

一般来说高温和低电压条件下,晶振容易发生低环路增益和启动时间慢或者不启动。低温和高电压条件下容易发生增益过大,过驱动,损坏晶振,更容易受到谐波影响出现震荡,甚至停止工作,所以要注意负载电容一定要选用NP0或C0G类型的陶瓷电容,温度稳定性更高。

Part 03 晶振电路PCB布局

1)晶振电路最好刷三防漆,减小水分,灰尘,温湿度对晶振电路的影响。

2)MCU电源要稳定,要做好滤波(去耦电容),这样可以降低晶振电路的信噪比。

3)晶振距离MCU越近越好,晶振电路外围加地环路。

4)高频信号线要远离晶振电路。

5)晶振电路下方要单独铺地(双层板),然后和MCU的地相连。多层板有完整地平面,只需加地环路即可。如果晶振是金属封装,铺地时,注意不要短路。

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