【经验】如何设计抗噪晶振外围电路

时间： 2018-04-18 来源：Epson

技术问答

爱普生公司满足Stratum3和Stratum3E标准的振荡器有许多不同的选型，EPSON提供高稳定性，高精度晶振IC，比如TCXO产品的TG-5500系列、TG5032系列和OCXO产品的OG2525系列, OG2522系列, OG1409 系列等等，这些产品广泛的用于网络数据同步的系统中。

在电子设备和通信系统的设计和布局中，为了优化性能必须考虑晶振和外设电路。作为信号源的核心，晶振必须产生高精度的输出，不过这会因此容易受到来自电路板的高频噪声干扰。

本文主要介绍了在一些容易受到高频噪声干扰的晶振中外围电路如何设计来消除噪声的方法。

晶振和外设电路的噪声源

如图1所示，主要有三种典型的来自晶振本身和外设电路的噪声源：

1、电力线的噪声

2、输出线的噪声

3、晶振的噪声

通常所说的噪声是这几种噪声的叠加。下面我们介绍如何解决每一种噪声。

图1 噪声的类型

由上面的噪声源产生的噪声大小跟电流和电流回路成正比。因此，减小电流或电流环的阻抗将会减少噪声的产生。

一般，当下面类型与晶振和他们外设电路有关时，他们的相关性存在电流和电流环的长度之间。

电流容量：电力线=晶振>输出线

电流环大小：输出线>电力线》晶振

输出线的噪声对晶振电路有很大的影响，其次是电力线的噪声。而由实际晶振产生的噪声大小相对其他两种噪声产生的噪声是小很多。

抗噪措施

消除噪声的措施主要有三种：

1. 稳定的电源和接地

建立稳定的电源和接地指的是在宽频带（尤其在高频）中阻抗非常低，并且是在带宽的所有点有相同的电势的导体。特别地，地线表示电路的基本电势，因此必须达到稳定性最好的水平。这个需要设计一个没有限制平铺在整个板表面区域的共地面。在多层的电路板中，多出的共地面被用来配置在独立层的电力线和地线。当设计涉及到焊点时，板的接触面积要确保低阻抗，从而因此减小噪声。

2. 电力线滤波

在电源和地之间设置一个滤波是常见的措施，这个滤波器是用来来防止晶振的噪声泄露到电源或底线同时相方地能够防止电源线的噪声进入晶振。作为代表性的旁路电容被用来作为电力线和底线的滤波器。详细的介绍如下。

a. 旁路电容

旁路电容的作用是降低相互作用的电阻抗，并且当吸收电力线噪声的时候有助于电路运行的稳定。这是一种常见的噪声消除方法。采用合适值的电容将会解决大多数的噪声问题。

i. 旁路电容的容量值

标准的旁路电容容量值在0.01uF和1uF之间。值应该尽可能的低但在一定范围内，而在这个范围内，电源正极Vcc和电线对地的阻抗的关系是在三倍晶振频率的频率点。你肯定知道这个容量的频率特性是确保在高频方面和低通方面阻抗没有增加。

ii. 安装旁路电容

为了尽最大化地减小噪声，旁路电容应该尽可能的靠近晶振。当回路的长度变长了，寄生电感将会增加并且导致高频时阻抗增加。旁路电容的回路长度应该被设置以便信号通过连接到电力线。这样会迫使噪声通过旁路电容并且提高噪声的减少。

避免当设置旁路电容时图2(a)所示的形状类型。高频噪声一般是在直线上通过，因此如果使用了像图2(a)的那种模式，噪声是不会通过旁路电容的。根据这一点，用图2(b)这种模式。

3. 配置稳定的输出线

稳定的输出线指的是一种回路，这种回路能有效传输晶振波形到有失真且电磁辐射最小的理想输入。

配置稳定的输出线的关键是关于确保输入需要的波形特性，比如tr，tf，VOH，VOL等等。此外，一个稳定的输出线要减少不必要的信号，例如超调，低射，振荡和回声，如图3(b)所示。为了最大化地减小不必要的辐射，知道回路的天线效率是非常重要的。

防止输出波形失真的措施包括：

a. 配置串行电阻

将晶振连接到一个输入设备一般会导致超调，低射和振荡等波形失真。这些失真包含是晶振频率3-7倍的高频成分并使得本应该消除的噪声又产生了。为了消除这些失真，串行电阻可以被用来连接晶振输出端和输出线，如图4所示。设置电阻值以便晶振输出阻抗Ro和串行电阻Rs的和阻抗与输出线阻抗Zo相等。

可以进行测试以决定串行电阻的最优值。这个测试方法是用示波器变化串行电阻从低到高来测量输出波形。这种最优电阻值是当超调，低射和振荡等波形失真被消除时的值。

b. 配置终断电阻

终端电阻的设置依赖于正在使用的接口的类型和时钟线的类型。

一般而言，当输出线和输入设备的阻抗不匹配时，输出波形会失真。当阻抗不匹配时，传输的波不能完全的被接收，并且部分信号被反射回晶振导致输出波形的失真。这样会产生高频的噪声。当晶振的输出分别接到多个设备时，这种失真会导致误触发。根据这一点，合适的终端和阻抗匹配是至关重要的。

为了防止来自接收设备的反射，输入应该用一个阻值与输出线阻抗一样端接。图5表示了两种常见的端接方法：分离式端接和交流式端接。

c. 配置滤波器

通常输出波形的失真可以用串行电阻和终端电阻解决。滤波是在这些方法不能解决问题的情况下使用。滤波器是一种较少高频噪声非常有效的方法，但是这种方法将会增加tr和tf(波形损耗)。基于这一点，你必须选择tr和tf特性合适的滤波器。同样，使用大电容作为滤波器会导致增加电流量，这样反而会增加噪声。

d. 匹配线阻抗

减小输出线的波形反射需要输出线阻抗尽可能的保持一致。正如图6表示的，达到输出线阻抗的一致涉及输出线弯曲模式的设计，以便正确的角度转化为40°角，或则如果可能的话，可以是圆形的。同样的，要避免通孔和T分支的使用。

最后，我们将介绍两种最重要的减小电磁辐射的方法

a. 使用短的输出线

在所有电流当中，输出线最容易产生噪声。因此，再设计和布局的时候，最高的优先级应该放在没有阻抗变化的短的输出线上。短线的使用将会使输出线的谐振频率平移到高频部分。频率越高，输出的高频成分衰减更大，这样反而就使得噪声辐射减小。

b. 使用短电流环路

正如上面提到的，输出线产生的噪声大小与电流环路的长度成正比。因此，晶振和输入设备的输出和地回路应该尽可能的短，这是非常重要的。一个非常简单实现的方法是在输出回路的反面设置地面。

正如上面详细说明的，晶振的电路设计和它的外设电路设计对减小噪声是非常重要的。最优的电路设计能够避免噪声引起的问题而且使得设备达到最好的整体性能。

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全部评论（2）

阿飞 Lv7. 资深专家 2018-09-11

学习了，
LouBing Lv7. 资深专家 2018-04-18

很有用，谢谢分享

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