時(shí)鐘信號(hào)調(diào)試系列（一）晶振時(shí)鐘信號(hào)輻射問題調(diào)試與設(shè)計(jì)

   絕大部分芯片都需要使用外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，晶振電路的設(shè)計(jì)不僅僅影響電氣性能指標(biāo)，同時(shí)也會(huì)影響電磁兼容性能指標(biāo)，在原理圖設(shè)計(jì)階段、PCB設(shè)計(jì)階段應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

   晶振分為有源晶振和無源晶振兩種，無源晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)是正弦波，而有源晶振輸出的時(shí)鐘信號(hào)是方波，方波具有豐富的高次諧波噪聲，是導(dǎo)致輻射發(fā)射超標(biāo)的重要因素之一，而理想的正弦波幾乎不存在高次諧波，輻射發(fā)射測(cè)試相對(duì)比較容易通過。

01、無源晶振EMC問題分析調(diào)試與設(shè)計(jì)

  無源晶振的電路設(shè)計(jì)通常如下圖所示，CF1、CF2電容是晶振負(fù)載電容，影響晶振時(shí)鐘頻率的偏差，RF1電阻的主要作用是防止晶振停振用的，部分晶振電路沒有這個(gè)電阻，RF4電阻主要是用于晶振的輸出幅度調(diào)節(jié)。

晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)的波形可以通過示波器量測(cè)，頻譜可以通過頻譜分析儀測(cè)量。無源晶振輸出幅度范圍1.25V~2.5V之間，當(dāng)輸出幅度過大就會(huì)產(chǎn)生過幅失真，產(chǎn)生豐富的高次諧波，具體案例如下圖所示：  

（晶振時(shí)鐘高次諧波頻譜）                （晶振時(shí)鐘信號(hào)波形畸變）

針對(duì)晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)的波形失真導(dǎo)致的豐富高次諧波，可以在晶振輸出引腳增加串聯(lián)電阻進(jìn)行限幅，串聯(lián)電阻參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際量測(cè)波形進(jìn)行調(diào)整，選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)，通過電阻限幅后的波形與頻譜如下圖所示：

（限幅后晶振時(shí)鐘高次諧波頻譜）           （限幅后晶振時(shí)鐘信號(hào)波形）   

  無源晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)波形越接近正弦波，高次諧波就越少，實(shí)際電路應(yīng)用中沒有理想的正弦波，晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)是存在高次諧波。

02、有源晶振EMC問題分析調(diào)試與設(shè)計(jì)

有源晶振電路設(shè)計(jì)通常如下圖所示，C7、L7組成LC濾波器，目的濾除有源晶振供電電源引腳耦合的時(shí)鐘噪聲；L8、C8組成LC濾波器，目的濾除有源晶振輸出時(shí)鐘的高次諧波噪聲，考慮到磁珠會(huì)產(chǎn)生過沖，有源晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)的濾波器采用RCL濾波電路

對(duì)于有源晶振的波形可以通過示波器量測(cè)是否存在過沖、振鈴、信號(hào)幅度設(shè)置是否過大等情況，有源晶振波形如下圖所示：

有源晶振的頻譜可以通過頻譜分析儀測(cè)量，根據(jù)方波的特性必然存在豐富的高次諧波，在不影響有用時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量的前提下，可以增加低通濾波器濾除高次諧波噪聲干擾，有源晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)頻譜如下圖所示：

03、關(guān)于晶振PCB Layout設(shè)計(jì)要點(diǎn)說明

關(guān)于有源晶振PCB Layout的注意事項(xiàng)，是將有源晶振供電電源濾波器件，靠近有源晶振供電電源引腳放置，輸出時(shí)鐘信號(hào)濾波器件也同樣靠近晶振時(shí)鐘引腳。

PCB Layout的注意事項(xiàng)主要有：

一是、時(shí)鐘信號(hào)兩側(cè)需要包地，或者采用鄰層完整的平面做參考。

二是、時(shí)鐘信號(hào)需要做阻抗控制。

三是、時(shí)鐘信號(hào)的回流參考平面保持完整，避免跨分割。

四是、有源晶振本體靠近芯片引腳，縮短時(shí)鐘信號(hào)布線長(zhǎng)度。