晶振為何不能放在PCB板邊緣的原因

晶振是數字電路設計中關鍵，通常在電路設計當中，晶振都當作數字電路中的心臟部分，數字電路的所有工作都離不開時鐘信號，而恰好晶振便是直接控制整個系統正常啟動的那個關鍵按鈕，可以說要是有數字電路設計的地方就可以看到晶振。

一．什么是晶振？

晶振一般是指石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器兩種，也可以直接叫晶體振蕩器。都是利用石英晶體的壓電效應制作而成。

晶振的工作原理是這樣的：在晶體兩個電極上加上電場后，晶體會發生機械變形，相反的，若是在晶體的兩端加上機械壓力后，晶體又會產生電場。這種現象是可逆的，所以利用晶體的這種特性，在晶體兩端加上交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時又會產生交變電場。但是晶體產生的這種振動和電場一般都會很小，但只要在某個特定頻率下，振幅就會明顯增大，就類似我們電路設計者常能見到的LC回路諧振同理。

二．晶振的分類（有源晶振和無源晶振）

①無源晶振

無源晶振為晶體，一般是2引腳的無極性器件（部分無源晶振有無極性的固定引腳）。

無源晶振一般需借助于負載電容形成的時鐘電路才能產生振蕩信號（正弦波信號）。

②有源晶振

有源晶振為振蕩器，通常是4個引腳。有源晶振不需要CPU的內部振蕩器，產生方波信號。有源晶振供電便能產生一個時鐘信號。

有源晶振信號穩定，質量較好，而且連接方式比較簡單，精度誤差比無源晶振更小，價格比無源晶振更貴。

三．晶振的等效電路

事實上，晶振的作用就像一個串聯的RLC電路。

晶振的等效電路顯示了一個串聯的RLC電路，表示晶振的機械振動，與一個電容并聯表示與晶振的電氣連接，而晶振振蕩器便朝著串聯諧振運行工作。

其中，R是ESR等效串聯電阻，L和C分別是等效電感和電容，Cp為寄生電容。

四．晶振的基本參數

一般晶振的基本參數有：工作溫度、精度值、匹配電容、封裝形式、核心頻率等。

晶振的核心頻率：一般晶振頻率的選擇取決于頻率元器件的要求規定，像MCU一般是一個范圍，大部分都是從4M到幾十M不等。

晶振的精度：晶振的精度普遍在±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPM等，高精度的時鐘芯片一般在±5PPM之內，一般運用都會選擇在±20PPM左右。

晶振的匹配電容：通常通過調整匹配電容的值，可以更改晶振的核心頻率，目前在做高精度晶振時，都是用該方法來進行調整。

五．晶振在PCB板的設計布局

作為數字電路中的心臟，晶振影響著整個系統的穩定性，系統晶振的選擇，決定了數字電路的成敗。

由于晶振內部存在石英晶體，受到外部撞擊等情況造成晶體斷裂，很容易造成晶振不啟振，所以通常在電路設計時，要考慮晶振的可靠安裝，其位置盡量不要靠近板邊、設備外殼等地方。PCB對晶振布局時通常注意以下幾點：

①晶振不能距離板邊太近、晶振的外殼必須接地，否則易導致晶振輻射雜訊。

在板卡設計時尤其需要注意這點。外殼接地可以避免晶振向外輻射，同時可以屏蔽外來信號對晶振的干擾。如果一定要布置在PCB邊緣，可以在晶振印制線邊上再布一根GND線，同時在包地線上間隔一段距離就打過孔，將晶振包圍起來。

②晶振下方不能布信號線，否則易導致信號線耦合晶振諧波雜訊。

保證完全鋪地，同時在晶振的300mil范圍內不要布線，這樣可以防止晶振干擾其他布線、元器件和層的性能。

③若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，會使濾波器的濾波效果變差。

耦合電容應盡量靠近晶振的電源引腳，按電源流入方向，依容值從大到小順序擺放。

④時鐘信號的走線應盡量簡短，線寬大一些，在布線長度和遠離發熱源上尋找平衡。

以下圖布局為例，晶振的布局方式會相對更優：

①晶振的濾波電容與匹配電路靠近MCU芯片位置，遠離板邊。

②晶振的濾波電容與匹配電阻按照信號流向排布，靠近晶振擺放整齊緊湊。

③晶振靠近芯片處擺放，到芯片的走線盡量短而直。

在電路系統中，高速時鐘信號線優先級最高。時鐘線是一個敏感信號，頻率越高，要求走線盡量簡短，以保證信號的失真度達到最小。

因為現在很多電路中，系統晶振時鐘頻率很高，所以干擾諧波出來的能量也強，諧波除了會從輸入與輸出兩條線導出來外，也會從空間輻射出來，這也導致若PCB中對晶振的布局不夠合理，會很容易造成很強的雜散輻射問題，并且一旦產生，很難再通過其他方法來解決，所以在PCB板布局時對晶振和CLK信號線布局非常重要。

審核編輯：黃飛