竞争性 PCB 晶体布局建议

电器工程 电路板 pcb设计 接地 水晶
2022-01-05 05:19:30

这与这个问题有关:我的晶体振荡器布局如何?

我正在尝试为微控制器设计一个 12MHz 晶体。我一直在阅读一些专门针对晶体和高频设计的建议。

在大多数情况下,他们似乎在以下几点上达成一致:

  1. 使走线尽可能短。
  2. 使差分走线对尽可能接近相同的长度。
  3. 将水晶与其他任何东西隔离开来。
  4. 在晶体下方使用地平面。
  5. 避免信号线过孔。
  6. 避免走线上的直角弯曲

这是我目前拥有的水晶的布局:

晶体布局

红色代表顶部 PCB 铜,蓝色是底部 PCB 层(它是 2 层设计)。网格为 0.25mm。晶体下方有一个完整的接地层(蓝色层),晶体周围是一个接地层,使用多个通孔连接到底部接地层。连接到时钟引脚旁边的引脚的迹线用于 uC 的外部复位。它应该保持在~5V,当它对地短路时会触发复位。

我还有几个问题:

  1. 我已经看到了一些推荐的布局,它们将负载电容器放置在靠近 IC 的位置,而另一些则将它们放置在远端。我可以期待两者之间有什么区别,推荐哪一个(如果有的话)?
  2. 我应该从信号迹线正下方移除接地层吗?这似乎是减少信号线上寄生电容的最佳方法。
  3. 你会推荐更厚或更薄的走线吗?目前我有 1000 万条痕迹。
  4. 我什么时候应该把两个时钟信号放在一起?我已经看到了一些建议,其中两条线在前往 uC 之前基本上是相互指向的,而在其他地方,它们被分开并像我现在一样缓慢地聚集在一起。

这是一个好的布局吗?如何改进?

到目前为止我读过的资料(希望这涵盖了其中的大部分,我可能会遗漏一些):

  1. TI 对高速布局指南的建议
  2. Atmel 的 AVR 硬件设计注意事项
  3. Atmel 振荡器 PCB 布局的最佳实践

编辑:

感谢您的建议。我对布局进行了以下更改:

  1. uC 下方的底层用作 5V 电源层,顶层是本地接地层。接地层有一个通向全局接地层(底层)的通孔,其中 5V 连接到源极,两者之间有一个 4.7uF 陶瓷电容器。使布线接地和电源更容易!
  2. 我已经移除了晶体正下方的顶部接地元件,以防止晶体外壳短路。
  3. @RussellMcMahon,我不确定最小化循环区域的确切含义。我已经上传了一个修改后的布局,我将水晶引线放在一起,然后再将它们发送到加州大学。这是你的意思吗?
  4. 我不完全确定如何在水晶周围完成我的护环(现在它是一种钩形)。我应该运行两个过孔来连接末端(与全局接地隔离),移除部分环,还是保持原样?
  5. 我应该从水晶/盖子下面移除全局接地吗?

更新布局

2个回答

你的位置很好。

您的晶体信号走线的布线很好。

你的接地不好。幸运的是,做得更好实际上会使您的 PCB 设计更容易。微控制器返回电流和流经晶体电容的电流中会有显着的高频成分。这些应该包含在本地,并且不允许流过主接地平面。如果你不避免这种情况,你就不再有地平面,而是中心馈电的贴片天线。

将所有与微型直接相关的地面绑在顶层。这包括微型的接地引脚和晶体帽的接地侧。然后将该网络仅在一个地方连接到主接地层。这样,由微型和晶体引起的高频环路电流留在本地网络上。流经主接地层连接的唯一电流是电路其余部分看到的返回电流。

为了额外的功劳,与微型电源网类似的东西,将两个单馈电点放置在彼此附近,然后在馈电点的微型侧立即在两者之间放置一个 10 µF 左右的陶瓷帽。电容成为微电路产生的高频功率到接地电流的第二级分流器,并且馈电点的接近性降低了任何逃脱其他防御的贴片天线驱动电平。

有关更多详细信息,请参阅https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512

添加以响应您的新布局:

这肯定更好,因为高频回路电流保持在主接地平面上。这应该会减少电路板的整体辐射。由于所有天线都作为接收器和发射器对称地工作,这也降低了您对外部信号的敏感性。

我认为没有必要让从水晶帽到微型的地面痕迹变得如此肥大。它没有什么害处,但没有必要。电流非常小,因此即使只有 8 百万的迹线也可以。

我真的不明白故意天线从水晶帽上下来并缠绕在水晶上的意义。您的信号远低于开始共振的位置,但是在不打算进行射频传输或接收时添加免费天线并不是一个好主意。您显然正试图在水晶周围放置一个“保护环”,但没有说明原因。除非您附近有非常高的 dV/dt 和制作不良的晶体,否则它们没有理由需要保护环。

查看 Atmel 的应用笔记 AVR186,“振荡器 PCB 布局的最佳实践”,网址为http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8128-Best-Practices-for-the-PCB-振荡器布局_ApplicationNote_AVR186.pdf

将负载帽放在 IC 旁边;IC和晶体之间。使 XTALI、XTALO 走线保持较短,但通过使走线尽可能远离彼此来最小化它们的电容耦合。如果您需要使走线长度超过半英寸,请在它们之间放置一根地线以消除交叉电容。将走线四面接地,并在整个物体下方放置一个接地平面。

保持走线短。