一、【序文】
石英晶體振蕩器是信號源的核心所在。在構(gòu)建各種電子設(shè)備及通信系統(tǒng)設(shè)備等過程中，石英晶體振蕩器周圍的電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計對系統(tǒng)能否最大程度發(fā)揮功能起著重要的作用。特別是石英晶體振蕩器周圍電路，由于將在搭載數(shù)字電路的基板上以最高速度開關(guān)工作，較易產(chǎn)生噪音，所以設(shè)計電路之際必須對比十分注意。作為降低噪音電路設(shè)計的指南，本文將就使用石英晶體振蕩器的周電路設(shè)計中的噪音對策進行解說。
二、【石英晶體振蕩器及周圍電路的噪音發(fā)生源】
圖1：噪音種類
（一）、《圖1》表示一般情況下石英晶體振蕩器及其周圍電路所的噪音。
如《圖1》所示，噪音發(fā)生源分為三大類：
（1）來自電源線的噪音：在石晶體振蕩器的工作過程中，電源線中將產(chǎn)生脈動。電源線起到天線的作用脈動作為噪音釋放。防止電源噪音時重要的是如何阻止或吸收石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈動流入電源線。為此而采取的對策可防止其它元器件所產(chǎn)生的外來噪音進入石英晶體振蕩器，因此亦可實現(xiàn)石英晶體振蕩器的工作穩(wěn)定。
（2）來自輸岀線路的噪音：來自輸出線路的噪音是指輸出線路起到天線的作用將石英晶體振蕩器輸岀的信號作為噪音釋放。這種噪音的對策是使輸岀波形既符合所定要求又難以釋放噪音，以及形成難以釋放噪音的輸岀線路。
（3）來自石英晶體振蕩器的噪音：來自石英晶體振蕩器的噪音是指石英晶體振蕩器內(nèi)部的集成電路與布線所釋放的噪音。這種噪音的對策是使石英晶體振蕩器的電源供給保持穩(wěn)定，且保證要求的輸岀波形的基礎(chǔ)上使石英晶體振蕩器穩(wěn)定工作。這些是電源線及輸岀線路共同的對策。
通常所的噪音指上述三種噪音的總稱，（1）至（3）所示的各發(fā)生源的噪音釋放量與流過的電流量和電流環(huán)路的大小成正比。電流量越大，或者電流環(huán)路越大，噪音的釋放量越多。
①石英晶體振蕩器及其周電路在流過的電流量與電流環(huán)路大小方面一般存著以下關(guān)系：
②電流量：電源線=石英晶體振蕩器>輸出線路
③電流環(huán)路的大小：輸出線路>電源線>>石英晶體振蕩器
從上述關(guān)系中可以得出，在石英晶體振蕩器及其周圍電路所產(chǎn)生的噪音中，輸出線路所產(chǎn)生的最多，其次是電源線，而石英晶體振蕩器本身所釋放的噪音量與這兩種噪音相比極小。
三、【噪音對策】
以上明了石英晶體振蕩器及其周電路中的噪音發(fā)生源，接下來說明降低噪音的對策。降低噪音的對策有以下三種基本方法：
（1）設(shè)置穩(wěn)定的電源線與接地線
穩(wěn)定的電源線與接地線是指大范圍頻帶(特別是高頻)中的阻抗極小，且任何點上的電平相同的導體。接地線是電路的標準電平，所以最需要保持穩(wěn)定，其電路設(shè)計具體應(yīng)做到表面面積大且無寬度變窄之處。采用多層板時，電源線與接地線應(yīng)當分別采用獨立的布線層，有連接部分時應(yīng)增大接觸面積，以便在高頻帶中亦保較小的阻抗。
（2）對電源噪音進行過濾：
在電源線及接地線中設(shè)置濾波器，以防石英晶體振蕩器的噪音流入電源線或接地線，或防止其它電路所產(chǎn)生的噪音通過電源線流入石英晶體振蕩器。電源線和接地線一般采用旁路電容器作為濾波器。以下進行詳細說明。
（2-a）旁路電容器
旁路電容器常用于除去噪音。它可以降低交流電源的阻抗使電路穩(wěn)定工作，還可以吸電源線中的噪音。大多噪音問題可通過選擇安裝適宜常數(shù)的旁路電容器來解決。旁路電容器的適宜常數(shù)設(shè)定與安裝方法如下所述。
（2-a-1）旁路電容器容量
通常使用的旁路電容器容量大致在0.01uF至0.1uF之間。電容器容量盡可能設(shè)定為較小的數(shù)值，且將石英晶體振蕩器的電源電壓Vcc、從接地線來看電源線的阻抗控制在石英晶體振蕩器輸岀頻率約3倍的頻帶內(nèi)。設(shè)定時應(yīng)當確認電容的頻率阻抗特性，防止高頻側(cè)或低頻側(cè)的阻抗增大。
圖2：旁路電容器安裝例
（2-a-2）旁路電容器的安裝
旁路電容器應(yīng)盡可能安裝在靠近石英晶體振蕩器電源的地方。布線圖案的距離越長寄生電感越大，高頻側(cè)的阻抗隨之變大。布線應(yīng)先連接旁路電容器后連接到電源線。這樣，噪音必將通過旁路電容器，從而提高噪音去除效果。
而且，旁路電容器的安裝應(yīng)避免如《同圖2之a(chǎn)》所示的布線圖案。高音通常直線前，如果采用《圖2之a(chǎn)》所示的布線圖案，噪音不通過旁路電容器。為此請使用類似《圖2之b》的布線圖案。
（3）在基板上配置穩(wěn)定的輸岀線路:
穩(wěn)定的輸岀線路是指，能夠把石英晶體振蕩器出的波形在不失真的情況下準確傳輸?shù)捷斎雽ο蟮脑骷?，并能夠盡可能減少噪音釋放的線路。
圖3：輸出波形特性
穩(wěn)定的輸岀線路的設(shè)置基礎(chǔ)如《圖3之a(chǎn)》所示，應(yīng)確保輸入側(cè)所需tr、tf、VOH、VOL等波形特性：且如《圖3之b》的輸岀波形所示，應(yīng)當去除不必要的信號，例如過沖、下沖、振影或反射波等。而且，還應(yīng)降低輸岀線路的作為天線釋放噪音的效率，使噪音難以釋放。
避免輸岀波形失真的對策可列舉岀以下4種方法，各方法的具體說明如下：
圖4：連接串聯(lián)電阻電路圖
（a）、連接串聯(lián)電阻：
石英晶體振蕩器連接輸入對象的元器件時，通常產(chǎn)生過沖、下沖或振鈴等波形變形。這些變形的波形中含有振蕩頻率的約3-7倍的射頻成份，將引發(fā)噪音，所以必須去除。為了去除射頻成份，應(yīng)在石英晶體振蕩器的輸出端與輸岀線路之間連接串聯(lián)電阻，如《圖4》所示。所插入的電阻值(Rs)等于輸岀線路的阻抗(Z0)與石英晶體振蕩器的輸岀阻抗(R0)之差。串聯(lián)電阻最佳值亦可通過實驗得岀。實驗方法是邊用示波器等觀察輸出波形，邊串聯(lián)電阻值從小逐漸調(diào)大，得岀過沖、下沖或振影等消失時的電阻值。
（b）、連接終端電阻：
終端電阻是否連接取決于所使用的數(shù)字或模擬信號種類，以及輸岀波形的時鐘線的種類。
輸岀波形的失真一般出現(xiàn)在輸岀線路的阻抗與輸入對象元器件的輸入阻抗不匹配的情況之下。非匹配狀態(tài)的行進波在輸入端被反射后，反射波與行進波相重疊使輸岀波形出現(xiàn)紊亂，從紊亂部分產(chǎn)生高頻率的噪音。將石英晶體振蕩器的輸岀分支傳送到多只元器件使用時，上述波形失真或引起觸發(fā)誤差。因此阻抗匹配十分重要。
為了防止從輸入端的反射，應(yīng)當接終電阻使輸入端的阻抗等于輸岀路線的阻抗。并聯(lián)終匹配如《圖5》所示，可分為單電阻和雙電阻。
圖5：終端電阻的端接方法
（c）、連接濾波器：
通?？梢允褂么?lián)電阻或終端電阻對輸岀波形進行整形。若由此仍然無法完全解決問題，則使用濾波器。使用濾波器可去除高頻率的噪音，但tr、tf將變大(脈沖前后沿變圓）。因此必須選擇能夠滿足tr、tf特性的濾波器。尚需注意的是，如果在濾波器中使用了電容較大的電容器，則將使電流量變大，反而促使釋放的噪音變大。
（d）、輸出線路的阻抗匹配：
為了減少輸出線路中的波形反射，需要盡量將輸出線路的阻抗保持一定。如《圖6》所示，可以將輸出線路電路圖案設(shè)計成45度拐角或若有可能設(shè)計成圓形拐角，避免使用直角拐角，以此使輸岀線路的阻抗保持一定。還應(yīng)避免使用通孔和T形接頭。
圖6：輸出線路布線圖案拐角例
以上說明了有關(guān)噪音的對策，最后介紹減少噪音釋放的兩項最重要方法。
（a）、縮短輸岀線路：
輸出線路是電路中最容易釋放噪音的部分。為此，在設(shè)計電路圖案之際，應(yīng)當最優(yōu)先設(shè)計輸岀線路部分，采用長度最短、無阻抗變動的最佳輸出線路圖案?？s短后的輸出線路布線的諧振頻率將變得高。輸出的信號隨頻率增大而衰減，從而導致釋放的噪音減少。
（b）、縮小電流環(huán)路：
如之前所述，來自輸出線路的噪音釋放量與電流環(huán)路的大小成正比。因此，必須盡量縮短石英晶體振蕩器和輸入元器件的輸出線路與接地線長度，故而亦可采用在輸岀線路的背面印制接地線的方法。
綜上所述，石英晶體振蕩器周圍電路的適宜設(shè)計對減少噪音極為重要。只要電路設(shè)計妥善適宜，即可避免噪音問題，從而充分發(fā)揮元器件本身所其有的性能。
標簽：
石英晶體振蕩器 電路 低噪音