晶振在PCB上的設(shè)計(jì)與工作原理
一、PCB上晶體振蕩電路設(shè)計(jì)步驟
這里主要有4個(gè)簡單的步驟：
1、選擇晶體振蕩器
選擇晶體振蕩器需要考慮到以下3個(gè)因素：
可拉性與功耗
振蕩器對(duì)頻率變化的功耗啟動(dòng)時(shí)間與封裝尺寸
上電后達(dá)到穩(wěn)定振蕩所需要的時(shí)間成本
1)可拉性與功耗
一般來說，拉力低的晶體振蕩器需要較大的負(fù)載。每個(gè)振蕩周期都必須要釋放電容的能力，因此更大的負(fù)載電容意味著更高的功耗損耗。
很多微控制器的datasheet中都會(huì)有推薦負(fù)載電容的最大值，這樣的話可以減低驅(qū)動(dòng)電路中的功耗。
2)振蕩器對(duì)頻率變化的功耗啟動(dòng)時(shí)間與封裝尺寸
較小的晶體振蕩器封裝具有較大的ESR，較大的ESR會(huì)提供較大的臨界增益（gm_crit），從而降低增益寬=裕度。
增益裕度降低意味著晶體需要更長的時(shí)間才能啟動(dòng)。
3)上電后達(dá)到穩(wěn)定振蕩所需要的時(shí)間成本
其實(shí)很多時(shí)候性能和成本并不是強(qiáng)關(guān)聯(lián)，如果在滿足性能下，可以選擇成本相對(duì)較低的晶體振蕩器。
2、檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶體振蕩器
通常來微控制器的datasheet中會(huì)提供一些關(guān)于怎么選擇晶體振蕩器。這些參數(shù)與臨界增益由關(guān)，臨界增益是微控制器電路啟動(dòng)晶體振蕩器所需的最小增益。
有的datasheet還會(huì)提供一組給定頻率和負(fù)載電容的晶體振蕩器允許的最大的ESR。
如果微控制器數(shù)據(jù)表提供振蕩器跨導(dǎo)（通常以u(píng)A/V為單位）或最大臨界增益，那么我們需要計(jì)算晶體的臨界增益并檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)它。
下面為臨界增益計(jì)算公式：
臨界增益公式
在這個(gè)公式中：
F是晶體振蕩器的標(biāo)稱頻率
ESR是晶體的等效串聯(lián)電阻
CO是晶振并聯(lián)電容
CL是晶體的標(biāo)稱負(fù)載電容
臨界增益是晶體的一個(gè)屬性，這些參數(shù)在晶體的數(shù)據(jù)手冊(cè)中。
接下來計(jì)算增益裕度。如果增益余量大于5，則振蕩器將可靠啟動(dòng)。更大的增益余量意味著更快的振蕩器啟動(dòng)。
晶體振蕩器的啟動(dòng)條件：增益余量大于5，如下公式所示：
晶體振蕩器的啟動(dòng)條件
下面為增益裕度計(jì)算公式：
增益裕度
或者，一些微控制器數(shù)據(jù)表提供了最大臨界增益gm_crit_max。在這種情況下，gm_crit必須小于gm_crit_max。
如果微控制器不滿足驅(qū)動(dòng)晶振的要求，就需要重新選擇晶體振蕩器。
3、晶體振蕩器的功耗
datasheet中會(huì)指定了晶體的驅(qū)動(dòng)電平（DL），驅(qū)動(dòng)電平基本上是晶振正常工作時(shí)的最大額定功率。
驅(qū)動(dòng)電平的粗略估計(jì)可以用下面這個(gè)公式計(jì)算：
驅(qū)動(dòng)電平驅(qū)動(dòng)電平計(jì)算公式
在上面這個(gè)公式中：
△V是峰峰值振蕩器電壓——最壞的情況：△V=Vcc
如果估計(jì)值低于晶體振蕩器的額定驅(qū)動(dòng)電平，則直接進(jìn)行下一步。
符合要求的驅(qū)動(dòng)電平
如果估計(jì)值高于晶體振蕩器的額定驅(qū)動(dòng)電平，你可以改進(jìn)估計(jì)值或者重新另外的晶體振蕩器。
4、選擇負(fù)載電容CL1和CL2
第一次設(shè)計(jì)晶體振蕩電路的時(shí)候，先假設(shè)兩個(gè)負(fù)責(zé)電容是并聯(lián)的。選擇了CL1=CL2=0.5*CL，但經(jīng)過驗(yàn)證過后，這是錯(cuò)誤的。
負(fù)載電容是晶體兩端所需的電容，因此CL1和CL2串聯(lián)。負(fù)載電容的計(jì)算公式如下所示：
負(fù)載電容的計(jì)算公式
將負(fù)載電容的計(jì)算公式簡化一下，簡化后的公式如下所示：
簡化后的負(fù)載電容計(jì)算公式
Cstray是來自微控制器引腳和走線電容的雜散電容的累積，很多有經(jīng)驗(yàn)的工程師建議，將這個(gè)值估計(jì)為5pF左右。
則公式為以下：
負(fù)載電容公式
一些微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)一一例如，msp430f22x2系列指定了1pF的雜散電容，非常適合其低功耗模型。
二、PCB中晶體振蕩電路設(shè)計(jì)
這里希望通過PCB布局來最小化振蕩器和外部信號(hào)之間的耦合，因?yàn)楦哳l耦合會(huì)激發(fā)晶體振蕩器的高次諧波，晶振是干擾外部電路的噪聲源。
具體有以下幾點(diǎn)需要注意：
1、晶體振蕩器靠近微控制器
短走線具有低互感和電容，長走線具有高互感和電容。使晶體靠近微控制器可以縮短走線，從而減少耦合。所以走線的長度盡可能短，但不能與其他信號(hào)線交叉。
2、振蕩器電路與高頻電路隔離開
路由非振蕩器信號(hào)時(shí)，高頻電路要遠(yuǎn)離振蕩器電路。也可以考慮使用帶有通孔的銅跡線，圍繞著振蕩器電路，這將減少外部信號(hào)線和振蕩器之間的互感。
振蕩器電路與高頻電路隔離開
通常的做法是將振蕩器電路下方的接地層分開，僅在一點(diǎn)點(diǎn)連接分離的接地層，就在微控制器接地旁邊。這可以防止來自其他信號(hào)源的返回電流通過振蕩器使用的接地層。
3、晶振靠近CPU芯片擺放，但要盡量遠(yuǎn)離板邊。
因?yàn)閮?nèi)部石英晶體的存在，由于外部沖擊或跌落容易損壞石英晶體，從而造成晶體不振蕩，在設(shè)計(jì)可靠的安裝電路時(shí)要考慮晶體，靠近CPU芯片的位置優(yōu)先放置遠(yuǎn)離板塊的一面。
（圓柱晶振）外殼接地后，加一個(gè)與晶振形狀相似的長方形焊盤，讓晶振“平放”在這個(gè)焊盤上，并在焊盤的兩個(gè)長邊附近開一個(gè)孔（孔要落在焊盤上，最好用多層焊盤代替孔，兩個(gè)多層焊盤要接矩形焊盤），然后用銅線或其他裸線將晶振“箍”起來，銅線的兩端焊接在你開的兩個(gè)孔或焊盤上。這樣可以避免高溫焊接對(duì)晶振的損壞，保證良好的接地。
4、手工或機(jī)器焊接時(shí)，要注意焊接溫度
晶振對(duì)溫度敏感，焊接時(shí)溫度不宜過高，加熱時(shí)間盡量短。
5、耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源管腳放置
放置順序：根據(jù)功率流向，按電容值從小到大排列，電容最小的電容值最接近電源引腳。
6、晶振外殼接地
晶振外殼接地（如果接地影響負(fù)載電容的話，就不能接地），既可以從晶振向外輻射，也可以屏蔽外界信號(hào)對(duì)晶振的干擾。
7、不要在晶振下方布線，確保完全鋪設(shè)好地線
在晶振300mil范圍內(nèi)不要布線，以免晶振干擾其他布線、器件和層的性能。
8、時(shí)鐘信號(hào)的走線盡量短，線寬要大一些
時(shí)鐘信號(hào)的走線盡量短，線寬要大一些。在布線長度與熱源的距離之間找到平衡點(diǎn)。
三、示例1∶為STM32設(shè)計(jì)8MHZ晶體振蕩器
1、選擇晶振
STM32F427數(shù)據(jù)手冊(cè)中要求：
對(duì)于4-26MHz晶體，Gm_crit_max=1mA/V
頻率容差必須為+/-500ppm或更好
CL1和CL2建議在5pF到25pF之間
這里我們選擇7A-8.000MAAJ-T，雖然STM32的引腳間距為0.5mm，但晶振的尺寸小，可以放置在靠近在STM32的位置。
7A-8.000MAAJ-T晶振的特性：
CL=18pF
ESR=60Ω
頻率穩(wěn)定性=50ppm
頻率容差=30ppm
CO=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平（DL）=500uWmax
2、檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶振，計(jì)算gm_crit（增益裕度）∶
gm_crit計(jì)算公式
所以gm_crit低于Gm_critmax，振蕩器電路將可靠啟動(dòng)。
3、晶振可以處理功率損耗嗎？
這里粗略估計(jì)電路的驅(qū)動(dòng)電平∶
驅(qū)動(dòng)電平計(jì)算公式
計(jì)算得DL=267uW，低于晶體允許的最大驅(qū)動(dòng)電平500uW。
4、選擇負(fù)載電容CL1和CL2
假設(shè)Cstray=5pF，則∶
負(fù)載電容公式
CL1=26pF
STM32建議將CL1和CL2保持在25pF以下，所以可以選24pF的電容。
四、示例2∶為ATMEGA328選擇16MHZ晶體振蕩器
ATMEGA328
1、選擇晶振
ATMega328數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求：
16MHz的最小電壓為3.78V，以適應(yīng)安全操作。要驅(qū)動(dòng)16MHz時(shí)鐘，我們必須在3.78V或以上，對(duì)于本設(shè)計(jì)，我們?cè)?V下工作。
CL1和CL2建議在12pF到22pF之間
ATMega328數(shù)據(jù)手冊(cè)
這里選擇9B-16.000MAAE-B晶振。9B-16.000MAAE-B晶振的特性參數(shù)如下所示：
CL=12pF
ESR=30Ω
頻率穩(wěn)定性=30ppm
頻率容差=30ppm
C0=7pFmax
驅(qū)動(dòng)電平（DL）=500uWmax
2、檢查微控制器是否可以驅(qū)動(dòng)晶振
ATMega328的數(shù)據(jù)表中沒有跨導(dǎo)規(guī)范，這里就必須讓開發(fā)人員設(shè)置好保險(xiǎn)絲，以便在填充PCB后啟用振蕩器。
3、晶振可以處理功率損耗嗎？
粗略估計(jì)電路的驅(qū)動(dòng)電平（DL）∶
驅(qū)動(dòng)電平計(jì)算
驅(qū)動(dòng)電平（DL）=545uW。
驅(qū)動(dòng)電平估計(jì)值太高。但是，如果選擇CL1并且表明設(shè)計(jì)的功耗是可以承受的，就可以改進(jìn)這個(gè)估計(jì)值。
4、選擇負(fù)載電容CL1和CL2
假設(shè)Cstray=5pF，則∶
負(fù)載電容計(jì)算
CL1=14PF。
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