Technic cal notes 石英晶 石 晶体振 振荡器 器周围电路设 设计 低噪音电路 低 路设计指南 【序文】 石英晶体 体振荡器是信号 号源的核心所在 在。在构建各种 种电子设备及通 通信系统设备等 等过程中，石英 英晶体振荡器周 周围的电路结构 构及设计 对系统能否 否最大程度发挥 挥功能起着重要 要的作用。特别 别是石英晶体振 振荡器周围电路 路，由于将在搭 搭载数字电路的 的基板上以最高 高速度开 关工作，较 较易产生噪音，所以设计电路 路之际必须对此 此十分注意。作 作为降低噪音电 电路设计的指南 南，本文将就使 使用石英晶体振 振荡器的 周围电路设 设计中的噪音对 对策进行解说。 【石英晶体振荡 荡器及周围电路 路的噪音发生源 源】 《图 1》表示 示一般情况下石英晶体振荡器及其周围电 路所的噪 来自电源线的噪 噪音 来自输 输出线路的噪音 音。如《图 图 1》所示，噪音发生源分为三大类： 来自石英晶体振荡 荡器的噪音 1）来 来自电源线的噪 噪音； 2）来 来自输出线路的 的噪音； VDD 3）来 来自石英晶体振 振荡器的噪音。 石英晶体振荡器 IN OUT GND 通常所说的 的噪音指上述三 三种噪音的总称 称。以下具体说 明上述三 GND 种噪音及其 其对策。 图 1：噪音的种 种类 1）来自电源 源线的噪音 在石英晶体振荡器的工作过程中，电源线中将产 产生脉动。电源 源线起到天线的 的作用将脉动作 作为噪音释放。防止电源噪音 音时重要 的是如何阻止或吸收石英晶体振荡器所产生的脉动 动流入电源线。为此而采取的 的对策可防止其 其它元器件所产 产生的外来噪音 音进入石 英晶体振荡 荡器，因此亦可实现石英晶体振荡器的工 作稳定。 2）来自输出 出线路的噪音 来自输出线路的噪音是指输出线路起到天线的作 作用将石英晶体 体振荡器输出的 的信号作为噪音 音释放。这种噪 噪音的对策是使 使输出波 所定要求又难以释放噪音，以及形成难以 释放噪音的输 输出线路。 形既符合所 3）来自石英 英晶体振荡器的 的噪音 来自石英 英晶体振荡器的噪音是指石英晶体振荡器 器内部的集成电 电路与布线所释 释放的噪音。这 这种噪音的对策 策是使石英晶体 体振荡器 的电源供给 给保持稳定，且 且在保证要求的输出波形的 基础上使石英晶体振荡器稳定工作。这些 些是电源线及输 输出线路共同的 的对策。 1 Technic cal notes 1）至 3）所示的各发生 生源的噪音释放 放量与流过的电 电流量和电流环 环路的大小成正 正比。电流量越 越大，或者电流 流环路越大，噪 噪音的释 放量越多。 振荡器及其周围 围电路在流过的 的电流量与电流 流环路大小方面 面一般存在着下 下示关系： 石英晶体振 电 电流量： 电源线＝石英晶体振 振荡器＞输出线 线路 电流环路的大小 小： 电 输出线路＞电源线＞ ＞＞石英晶体振 振荡器 系中可以得出，在石英晶体振 振荡器及其周围 围电路所产生的 的噪音中，输出 出线路所产生的 的最多，其次是 是电源线，而石 石英晶体 从上述关系 振荡器本身 身所释放的噪音 音量与这两种噪 噪音相比极小。 【噪音对策】 以上说明 明了石英晶体振 振荡器及其周围 围电路中的噪音 音发生源，接下来说明降低噪音的对策。降低 低噪音的对策有 有以下三种基本 本方法： 1）设置 置稳定的电源线 线与接地线； 2）对电 电源噪音进行过 过滤； 3）在基 基板上配置稳定 定的输出线路。 。 各方法 法的具体说明如 如下： 电源线与接地线 线 1）稳定的电 稳定的电源线与接地线是指大范围频带（特别是 是高频）中的阻 阻抗极小，且任 任何点上的电平 平相同的导体。接地线是电路 路的标准 做到表面积大且 且无宽度变窄之 之处。采用多层 层板时，电源线 线与接地线应当 当分别采 电平，所以最需要保持稳定，其电路设计具体应做 布线层，有连接 接部分时应增大接触面积， 以便在高频带中亦保持较小的阻抗。 用独立的布 滤波 2）电源线滤 在电源线 线及接地线中设置滤波器，以防石英晶体 体振荡器的噪音 音流入电源线或 或接地线，或者 者防止其它电路 路所产生的噪音 音通过电 源线流入石 石英晶体振荡器 器。电源线和接地线一般采 用旁路电容器作为滤波器。以下进行详细 细说明。 路电容器 2-a）旁路 旁路电 电容器常用于去 去除噪音。它可 可以降低交流 电源的阻抗使电路稳定工作，还可以吸收 收电源线中的噪 噪音。大多噪音 音问题可 通过选择 择安装适宜常数 数的旁路电容器 器来解决。旁路 路电容器的适宜 宜常数设定与安 安装方法如下所 所述。 容量 2-a-1）旁路电容器容 通常 常使用的旁路电 电容器容量大致 致在 0.01 至 0..1μF 之间。电 电容器容量尽可 可能设定为较小 小的数值，且将 将石英晶体振荡 荡器的电 源电压 压 VCC、从接地 地线来看电源线 线的阻抗控制在 在石英晶体振荡 荡器输出频率的 的约 3 倍的频带 带内。设定时应 应当确认电容的 的频率阻 抗特性 性，防止高频侧 侧或低频侧的阻 阻抗增大。 2 Technic cal notes 2-a-2）旁路电容器的 的安装 旁路 路电容器应尽可 可能安装在靠近 近石英晶体振荡 荡器电源的地方 方。布线图案的 的距离越长寄生 生电感越大，高频 频侧的阻抗随之 之变大。 布线应 应先连接旁路电 电容器后连接到 到电源线。这样 样，噪音必将通 通过旁路电容器 器，从而提高噪 噪音去除效果。 。 而且 且，旁路电容器 器的安装应避免 免如同《图 2 之 a》所示的布 布线图案。高频 频噪音通常直线 线前进，如果采 采用《图 2 之 a》所示 a 的布线 线图案，噪音将 将不通过旁路电 电容器。为此请 请使用类似《图 图 2 之 b》的布 布线图案。 旁路电容 容器 抗蚀 蚀剂 #2: GND #4: VCC #3 #4 # #4:V CC #2: GND # #4:V CC #2 #1 #2:: GND b）好的布线示例 a）坏的布线示 示例 a）布 布线之间的间隙太宽 宽，高频率的噪音直 直进而不经过旁路电容 容器之例 b）布 布线之间间隙狭窄，高频率噪音被旁路 路电容器吸收之例 石英晶体振 振荡器在导电图案上的安装例 图 2：旁路电 电容器安装例 定的输出线路 3）配置稳定 稳定的输 输出线路是指，能够把石英晶体振荡器输 输出的波形在不 不失真的情况下 下准确传输到输 输入对象的元器 器件，并能够尽 尽可能减 少噪音释放 放的线路。 稳定的输 输出线路的设置 置基础如《图 3 之 a》所示， ，应确保输入侧 侧所需的 tr、tf、VOH、VOL 等 等波形特性；且 且如《图 3 之 b》的输 b 出波形所示 示，应当去除不必要的信号，例如过冲、 下冲、振影或 或反射波等。而 而且，还应降低 低输出线路的作 作为天线释放噪 噪音的效 率，使噪音 音难以释放。 tf tr 振影 过冲 VCC VCC GND tW VOH t a）理想的输出波形 形 形紊乱 反射引起的波形 冲 下冲 VOL 图 3：输出波形特性 3 b）含有多余 余信号的输出波形 GND Technic cal notes 避免输出波 波形失真的对策可列举出以下 4 种方法： a）连接 接串联电阻； b）连接 接终端电阻； c）连接 接滤波器； d）输出 出线路的阻抗匹 匹配。 各方法的具 具体说明如下： a）连接串 串联电阻 常将产生过冲、下冲或振铃等波形变形。 这些变形的波 石英晶 晶体振荡器连接 接输入对象的元 元器件时，通常 波形中含有振荡 荡频率的 约 3-7 倍的射频成份 份，将引发噪音 音，所以必须去 去除。为了去除 除射频成份，应 应在石英晶体振 振荡器的输出端 端与输出线路之 之间连接 串联电阻 阻，如《图 4》 》所示。所插入 入的电阻值（R Rs）等于输出线 线路的阻抗（Z Z0）与石英晶 晶体振荡器的输 输出阻抗（R0）之差。 串联电阻 阻最佳值亦可通 通过实验得出。实验方法是边 边用示波器等观察输出波形，边将串联电 电阻值从小逐渐 渐调大，得出过 过冲、下 冲或振影 影等消失时的电 电阻值。 石英晶体振荡器 器 Rs Rs=Z0-Ro VCC IN Ro Rs 适宜 适 Rs 过小 过 Z0 Rs 过大 过 GND GND 图 4：连接串联电 4 电阻的电路图 对输 输出波形的影响 响 b）连接终 终端电阻 终端电 电阻是否连接取 取决于所使用的 的数字或模拟信 信号种类，以及 及输出波形的时 时钟线的种类。 。 输出波形 形的失真一般出 出现在输出线路 路的阻抗与输入 入对象元器件的输入阻抗不匹配的情况之 之下。非匹配状 状态的行进波在 在输入端 现紊乱，从紊乱部分产生高频率的噪音。 将石英晶体振 被反射后 后，反射波与行 行进波相重叠使 使输出波形出现 振荡器的输出分 分支传送 到多只元 元器件使用时， ，上述波形失真 真或引起触发误 误差。因此阻抗 抗匹配十分重要 要。 为了防 防止从输入端的 的反射，应当端 端接终端电阻使 使输入端的阻抗 抗等于输出路线 线的阻抗。并联 联终端匹配如《图 5》所示，可分为 单电阻和 和双电阻。 R1 IN IN R R2 OUT OUT a a）戴维宁并行端 端接（双电阻） b）RC C 并行端接（单 单电阻） 图 5：终端 端电阻的端接方 方法 4 C Technic cal notes c）连接滤 滤波器 通常可 可以使用串联电 电阻或终端电阻 阻对输出波形进 进行整形。若由此仍然无法完全解决问题 题，则使用滤波 波器。使用滤波 波器可去 除高频率 率的噪音，但 tr、tf 将变大（ （脉冲前后沿变 变圆）。因此必须 须选择能够满足 足 tr、tf 特性的 的滤波器。尚需 需注意的是，如 如果在滤 波器中使 使用了电容较大 大的电容器，则 则将使电流量变 变大，反而促使 使释放的噪音变 变大。 d）输出线 线路的阻抗匹配 配。 为了减 减少输出线路中 中的波形反射， ，需要尽量将输 输出线路的阻抗 抗保持一定。如 如《图 6》所示 示，可以将输出 出线路电路图案 案设计成 45 度拐角或若有可能 能设计成圆形拐 拐角，避免使用直 直角拐角，以此 此使输出线路的 的阻抗保持一定 定。还应避免使 使用通孔和 T 形接头。 形 图 6：输出 出线路布线图案 案拐角例 以上说明了有关噪音的对策，最后介绍减少噪音释 放的两项最重 重要方法。 a）缩短 短输出线路 输出线 线路是电路中最 最容易释放噪音 音的部分。为此 此，在设计电路图案之际，应当最优先设 设计输出线路部 部分，采用长度 度最短、 线路布线的谐振频率将变得更高。输出的 无阻抗变 变动的最佳输出 出线路图案。缩 缩短后的输出线 的信号随频率增 增大而衰减，从 从而导致 释放的噪 噪音减少。 b）缩小 小电流环路 流环路的大小成正比。因此，必须尽量缩 如之前 前所述，来自输 输出线路的噪音 音释放量与电流 缩短石英晶体振 振荡器和输入元 元器件的 输出线路 路与接地线长度 度，故而亦可采 采用在输出线路 路的背面印制接 接地线的方法。 。 综上所述，石英晶体振荡器周围电路的适宜设计对 对减少噪音极为 为重要。只要电 电路设计妥善适 适宜，即可避免 免噪音问题，从 从而充分 发挥元器件 件本身所具有的性能。 5