如何處理EMC晶振超標(biāo)問題

我們常把晶振比喻為數(shù)字電路的心臟，這是因為，數(shù)字電路的所有工作都離不開時鐘信號，晶振直接控制著整個系統(tǒng)，若晶振不運(yùn)作那么整個系統(tǒng)也就癱瘓了，所以晶振是決定了數(shù)字電路開始工作的先決條件。

我們常說的晶振，是石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，他們都是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作而成。在石英晶體的兩個電極上施加電場會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形，反之，如果在晶體兩側(cè)施加機(jī)械壓力就會在晶體上產(chǎn)生電場。并且，這兩種現(xiàn)象是可逆的。利用這種特性，在晶體的兩側(cè)施加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時產(chǎn)生交變電場。這種震動和電場一般都很小，但是在某個特定頻率下，振幅會明顯加大，這就是壓電諧振，類似于我們常見到的LC回路諧振。

作為數(shù)字電路中的心臟，晶振在智能產(chǎn)品中是如何發(fā)揮作用的呢？以智能家居如空調(diào)、窗簾、安防、監(jiān)控等產(chǎn)品來說，都需要無線傳輸模塊，它們通過藍(lán)牙、WIFI或ZIGBEE等協(xié)議，將模塊從一端發(fā)到另一端，或直接通過手機(jī)控制，而晶振就是無線模塊里的核心元件，影響著整系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以選擇好系統(tǒng)使用的晶振，決定了數(shù)字電路的成敗。

由于晶振在數(shù)字電路中的重要性，在使用和設(shè)計的時候我們需要小心處理：1、晶振內(nèi)部存在石英晶體，受到外部撞擊或跌落時易造成石英晶體斷裂破損，進(jìn)而造成晶振不起振，所以在設(shè)計電路時要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設(shè)備外殼等。2、在手工焊接或機(jī)器焊接時，要注意焊接溫度。晶振對溫度比較敏感，焊接時溫度不能過高，并且加熱時間盡量短。

合理的晶振布局可以抑制系統(tǒng)輻射干擾

一、問題描述

該產(chǎn)品為野外攝像機(jī)，內(nèi)分核心控制板、sensor 板、攝像頭、SD 存儲卡和電池五部分組成，外殼為塑膠殼，小板僅有兩個接口：DC5V 外接電源接口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">USB 接口。經(jīng)過輻射測試發(fā)現(xiàn)有33MHz 左右的諧波雜訊輻射問題。

原始測試數(shù)據(jù)如下：

二、分析問題

而該晶振的問題在于以下兩點問題所導(dǎo)致的：

( 1 ) 晶振距離板邊太近，易導(dǎo)致晶振輻射雜訊。

( 2 ) 晶振下方有布信號線，，這易導(dǎo)致信號線耦合晶振的諧波雜訊。

( 3 ) 濾波器件放在晶振下方，且濾波電容與匹配電阻未按照信號流向排布，使得濾波器件的濾波效果變差。

三、解決對策

根據(jù)分析得出以下對策：

（1）晶體的濾波電容與匹配電阻靠近CPU 芯片優(yōu)先放置，遠(yuǎn)離板邊；

（2）切記不能在晶體擺放區(qū)域和下方投影區(qū)內(nèi)布地；

（3）晶體的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布，且靠近晶體擺放整齊緊湊；

（4）晶體靠近芯片處擺放，兩者間的走線盡量短而直。

可以參考如下圖布局方式：

經(jīng)整改后，樣機(jī)測試結(jié)果如下：

四、結(jié)論

現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振現(xiàn)今很多系統(tǒng)晶振時鐘頻率高，干擾諧波能量強(qiáng)；干擾諧波除了從其輸入與輸出兩條走線傳導(dǎo)出來，還會從空間輻射出來，若布局不合理，容易造成很強(qiáng)的雜訊輻射問題，而且很難通過其他方法來解決，因此在PCB 板布局時對晶振和CLK 信號線布局非常重要。

晶振的PCB設(shè)計注意事項

晶振與晶體的區(qū)別

1)?晶振是有源晶振的簡稱，又叫振蕩器。英文名稱是oscillator。晶體則是無源晶振的簡稱，也叫諧振器。英文名稱是crystal.
?????? 2) 晶體（無源）一般是直插兩個腳的無極性元件，需要借助時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號。常見的有49U、49S封裝。
?????? 3) 晶振（有源）一般是表貼四個腳的封裝，內(nèi)部有時鐘電路，只需供電便可產(chǎn)生振蕩信號。一般分7050、5032、3225、2520幾種封裝形式。

MEMS硅晶振與石英晶振區(qū)別? ? ? ?

MEMS硅晶振采用硅為原材料，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制造而成。因此在高性能與低成本方面，有明顯于石英的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面：
?????? 1) 全自動化半導(dǎo)體工藝（芯片級），無氣密性問題，永不停振。
?????? 2) 內(nèi)部包含溫補(bǔ)電路，無溫漂，-40—85℃全溫保證。
?????? 3) 平均無故障工作時間5億小時。
?????? 4) 抗震性能25倍于石英振蕩器。
?????? 5) 支持1-800MHZ任一頻點，精確致小數(shù)點后5位輸出。
?????? 6) 支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V多種工作電壓匹配。
?????? 7) 支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM等各種精度匹配。
?????? 8) 支持7050、5032、3225、2520所有標(biāo)準(zhǔn)尺寸封裝。
?????? 9) 標(biāo)準(zhǔn)四腳、六腳封裝，無需任何設(shè)計改動，直接替代石英振蕩器。
????? 10) 支持差分輸出、單端輸出、壓控（VCXO）、溫補(bǔ)(TCXO)等產(chǎn)品種類。
????? 11) 300%的市場增長率，三年內(nèi)有望替代80%以上的石英振蕩器市場。

晶體諧振器的等效電路

關(guān)鍵參數(shù)

1 標(biāo)稱頻率

指晶體元件規(guī)范中所指定的頻率，也即用戶在電路設(shè)計和元件選購時所希望的理想工作頻率。

2 調(diào)整頻差

基準(zhǔn)溫度時，工作頻率相對于標(biāo)稱頻率的最大允許偏離。常用ppm表示

如果ppm換算成百分號“%”為：1ppm=0.0001%。

但在大多數(shù)科技期刊中，已經(jīng)不使用ppm，而改用千分號“‰”，ppm換算成‰為：1ppm=0.001‰。

ppm是指part per million，同理b,t分別表示billion和trillion。

即1ppm=10^-6數(shù)量級,類似的還有ppb,ppt等,分別是-9次和-12次。

3 溫度頻差
??????在整個溫度范圍內(nèi)工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時工作頻率的允許偏離。常用ppm表示。

4 老化率
?????? 指在規(guī)定條件下，由于時間所引起的頻率漂移。這一指標(biāo)對精密晶體是必要的，但它“沒有明確的試驗條件，而是由制造商通過對所有產(chǎn)品有計劃抽驗進(jìn)行連續(xù)監(jiān)督的，某些晶體元件可能比規(guī)定的水平要差，這是允許的”（根據(jù)IEC的公告）。老化問題的最好解決方法只能靠制造商和用戶之間的密切協(xié)商。

8 靜態(tài)電容（C0）
??????等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。

9 動態(tài)電容（C1）
????? 等效電路中動態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積，另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。

10 動態(tài)電感（L1）
??????等效電路中動態(tài)臂里的電感。動態(tài)電感與動態(tài)電容是一對相關(guān)量。

13 品質(zhì)因數(shù)（Q）
????????品質(zhì)因數(shù)又稱機(jī)械Q值，它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù)，它與L1和C1有如下關(guān)系：
??????????????????????????? Q=wL1/R1=1/wR1C1??????????????????
????? ? 如上式，R1越大，Q值越低，功率耗散越大，而且還會導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高，頻率越穩(wěn)定。

14 激勵電平（Level of drive）
?????? 是一種用耗散功率表示的，施加于晶體元件的激勵條件的量度。所有晶體元件的頻率和電阻都在一定程度上隨激勵電平的變化而變化，這稱為激勵電平相關(guān)性（DLD），因此訂貨規(guī)范中的激勵電平須是晶體實際應(yīng)用電路中的激勵電平。正因為晶體元件固有的激勵電平相關(guān)性的特性，用戶在振蕩電路設(shè)計和晶體使用時，必須注意和保證不出現(xiàn)激勵電平過低而起振不良或過度激勵頻率異常的現(xiàn)象。

15 激勵電平相關(guān)性（DLD）
???????由于壓電效應(yīng)，激勵電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振蕩，在這個過程中，加速度功轉(zhuǎn)化為動能和彈性能，功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。
???????摩擦損耗與振動質(zhì)點的速度有關(guān)，當(dāng)震蕩不再是線性的，或當(dāng)石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點的拉伸或應(yīng)變、位移或加速度達(dá)到臨界時，摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。
?????? 加工過程中造成DLD不良的主要原因如下，其結(jié)果可能是不能起振：
?????? 1) 諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因為生產(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面；
?????? 2) 諧振子的機(jī)械損傷。主要產(chǎn)生原因為研磨過程中產(chǎn)生的劃痕。
?????? 3) 電極中存在微?；蜚y球。主要產(chǎn)生原因為真空室不潔凈和鍍膜速率不合適。
?????? 4) 裝架是電極接觸不良；
?????? 5) 支架、電極和石英片之間存在機(jī)械應(yīng)力。

16 DLD2(單位：歐姆)

不同激勵電平下的負(fù)載諧振電阻的最大值與最小值之間的差值。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

17 RLD2(單位：歐姆)

不同激勵電平下的負(fù)載諧振電阻的平均值<與諧振電阻Rr的值比較接近，但要大一些>。(如：從0.1uw~200uw,總共20步)。

18 寄生響應(yīng)
???? 所有晶體元件除了主響應(yīng)（需要的頻率）之外，還有其它的頻率響應(yīng)。減弱寄生響應(yīng)的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極，以及晶片加工工藝，但是同時會改變晶體的動、靜態(tài)參數(shù)。?
??? 寄生響應(yīng)的測量
??? 1) SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值；

2) SPUR 在最大寄生處的電阻；
??? 3) SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離，用Hz或ppm表示。

晶體振蕩器的分類

1 Package石英振蕩器（SPXO）

不施以溫度控制及溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤?。頻率溫度特性依靠石英振蕩晶體本身的穩(wěn)定性。

2 溫度補(bǔ)償石英振蕩器（TCXO）
????? 附加溫度補(bǔ)償回路，減少其頻率因周圍溫度變動而變化之石英振蕩器。

3 電壓控制石英振蕩器（VCXO）

控制外來的電壓，使輸出頻率能夠變化或調(diào)變的石英振蕩器。

4 恒溫槽式石英振蕩器（OCXO）

以恒溫槽保持石英振蕩器或石英振蕩晶體在一定溫度，控制其輸出頻率在周圍溫度下也能保持極小變化量之石英振蕩器。

除了以上四種振蕩器外，隨著PLL、Digital、Memory技術(shù)的應(yīng)用，其他功能的多元化石英振蕩器也快速增加。

編輯：黃飛