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每年，數十億種晶體被制造出來，并且幾乎在每個電子設備中使用。網絡、數字手表甚至微波中的數字和模擬子系統都需要穩定的振蕩器，以實現精確定時并在數字電路中移動數據。除了XTAL振蕩器電路布局之外，還需要選擇合適的晶振，以提供穩定的時序。
在市場上可以找到的XTAL的制造頻率范圍為?10kHz至?100MHz。這些組件具有不同程度的固有抖動和溫度敏感度，為系統選擇正確的振蕩器對于確保數字和模擬電路的準確時序至關重要。隨著頻率增加到GHz范圍，將需要改變策略并為系統選擇高度穩定的參考振蕩器。這是需要了解的XTAL振蕩器電路設計和組件選擇，以及何時需要開始考慮更穩定的高頻振蕩器。
XTAL振蕩器電路布局技巧
布置XTAL振蕩器電路的目的是確保時鐘信號與其他組件正確隔離，并確保輸出上的漂移和抖動/相位噪聲最小。其中一些點與振蕩器的化學成分有關(陶瓷與石英)，而某些與布局有關(PDN去耦不足可能是造成抖動的主要來源之一)。在下面整理了一些用于布置XTAL振蕩器電路的基本技巧。
1. 將振蕩器遠離其他高頻/高速信號。目的是減少XTAL振蕩器電路(特別是輸出引腳)與其他PCB電路之間的電容性串擾。
2.如果需要，請使用銅粉將時鐘與其他電路隔離。請勿將銅倒在時鐘下方的表層上。相反，只需使用內部接地層即可。
3.嘗試防止其他信號的返回電流在時鐘輸出下方傳播。
4.將任何電容器放置在輸出上靠近時鐘組件輸出引腳的位置。任何電容器都應穩定并且具有足夠高的自諧振頻率(理想情況下，應超過時鐘信號的3至5次諧波)。
系統時鐘與嵌入式和同步時鐘的比較
如果將XTAL振蕩器電路用作一系列點對點功能塊的系統時鐘，則在布線時鐘線時會遇到困難，因為需要確保時鐘信號以相同的方式到達每個組件時間作為信號。目的是確保數據信號在正確的時間鎖存在接收器中。正確執行此操作需要考慮組件中的傳播延遲，這隨著點對點鏈中組件數量的增加而變得極為困難。
在這種點對點拓撲中使用系統時鐘需要超高精度的時序，而傳統的EDA工具可能很難做到這一點。由于鏈中每個組件的傳播延遲，會出現時序問題。
這個困難是許多組件使用嵌入式時鐘的原因，其中時鐘信號被嵌入數據流的前幾位。另一種方案是源同步時鐘，其中時鐘信號與數據流并行路由。計算機主板及其外圍設備將使用這兩種時鐘方案，因為隨著板子尺寸的增加，正確路由單個系統時鐘變得更加困難。在組件之間(例如在PCIe子系統中)路由的信號將需要使用與并行數據總線相同的長度和時序匹配技術來路由。幸運的是，PCB EDA程序提供了設計規則功能，這些功能使這種類型的布線變得相當容易。
XTAL振蕩器的EMI
在許多系統中，已知XTAL振蕩器電路是有問題的EMI來源。在EMC測試期間，這可能表現為輻射的近場EMI或遠場EMI，下游功能塊中的噪聲或抖動。根據高頻XTAL振蕩器電路的接地策略，您可能會在時鐘下方無意間創建寬帶天線。注意不要將大塊的接地銅倒在時鐘下方。電流將在該銅澆注物和最近的參考平面之間電容耦合，在特定的諧振下它會像強壯的貼片天線一樣發射。
降低時鐘EMI的一種選擇是使用與擴頻時鐘一起運行的組件。該技術可將功率分散到很寬的頻率范圍內，但會降低高速信號的峰值能量，進而降低感應寬帶噪聲的強度。擴頻時鐘涉及對時鐘輸出進行頻率調制，然后在頻率和相位處于特定值時觸發下游電路(請參見下文)。這通常消除了對EMI濾波器，鐵氧體磁珠，線圈和扼流圈的需求。
擴頻時鐘可實現功率譜和EMI降低
溫度補償
如果電路板需要在一定溫度范圍內以高精度時序運行，那么將需要考慮溫度補償的XTAL振蕩器電路(TCXO)。這些組件在RF系統和高速數字系統中很常見。這些組件在溫度補償反饋環路內使用一個變容二極管。隨著溫度的變化，晶體的諧振頻率也隨之變化。變容二極管允許將諧振頻率補償回期望值。這些組件也可用作具有寬輸出范圍的壓控設備。這種電路的一個例子如下所示。
XTAL振蕩器的溫度補償電路
當需要補償溫度變化時，使用電壓控制的TCXO可提供一個額外的拉桿。然后可以將輸出饋入VCO以進行乘法運算，直至達到更高的頻率。這些組件的最高工作頻率約為100MHz，并允許進行低至ppm級的控制/補償。
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