在一个电路系统中,时钟是必不可少的一部分。时钟电路相当关键,在电路中的作用犹如人的心脏的作用,如果电路系统的时钟出错了,系统就会发生紊乱,因此在PCB 中设计一个好的时钟电路是非常必要的。
我们常用的时钟电路有:晶体、晶振、时钟分配器。有些IC 用的时钟可能是由主芯片产生的,但追根溯源,还是由上述三者之一产生的。接下来结合具体实例,说明时钟电路布局、布线的原则和注意事项。
1.晶体
PCB 中常用的晶体封装有:2 管脚的插件封装和SMD 封装、4 管脚的 SMD 封装,常见封装如下图:
尽管晶体有不同的规格,但它们的基本电路设计是一致的,因此PCB 的布局、布线规则也是通用的。基本的电路设计如下图:
从电路原理图中可以看出,电路由晶体+2 个电容组成,这两个电容分别为增益电容和相位电容。
晶体电路布局时,两个电容靠近晶体放置,布局效果图如下:
布线时,晶体的一对线要走成类差分的形式,线尽量短、且要加粗并进行包地处理,效果如下图:
上述的是最基本和最常见的晶体电路设计,也有一些变形设计,如加串阻、测试点等,如下图,设计思路还是一致的:
结合上述,
布局应注意:
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和 IC 布在同一层面,这样可以少打孔;
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布局要紧凑,电容位于晶体和IC 之间,且靠近晶体放置,使时钟线到IC 尽量短;
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对于有测试点的情况,尽量避免stub 或者是使stub 尽量短;
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附近不要摆放大功率器件、如电源芯片、MOS 管、电感等发热量大的器件;
布线应注意:
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和 IC 同层布局,同层走线,尽量少打孔,如果打孔,需要在附近加回流地孔;
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类差分走线;
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走线要加粗,通常 8~12mil;由于晶体时钟波形为正弦波,所以此处按模拟设计思路处理;
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信号线包地处理,且包地线或者铜皮要打屏蔽地孔;
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晶体电路模块区域相当于模拟区域,尽量不要有其他信号穿过;
2.晶振
相比于晶体电路,晶振是有源电路,主要由三部分组成:晶振+电源滤波电路+源端匹配电阻:常见电路设计如下图:
布局布线效果图如下:
布局、布线总结:
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滤波电容靠近电源管脚,遵循先大后小原则摆放,小电容靠得最近;
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匹配电阻靠近晶振摆放;如果原理图中没有这个电阻,可建议加上;
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附近不要摆放大功率器件、如电源芯片、MOS 管、电感等发热量大的器件;
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时钟线按 50 欧姆阻抗线来走;如果时钟线过长,可以走在内层,打孔换层处加回流地孔;
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其他信号与时钟信号保持4W 间距;
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包地处理,并加屏蔽地孔;
3.时钟分配器
时钟分配器种类比较多,在设计时保证时钟分配器到各个 IC 的距离尽量短,通常放在对称的位置,例如:
时钟分配器电路:
设计如下图:
布局、布线总结:
- 时钟发生电路要靠近时钟分配器,常见的时钟发生电路是晶体、晶振电路;
- 时钟分配电路放置在对称位置,保证到各个 IC 的时钟信号线路尽量短;
- 附近不要摆放大功率器件、如电源芯片、 MOS 管、电感等发热量大的器件;
- 时钟信号线过长时,可以走在内层,换层孔的 200mil 范围内要有回流地过孔;
以上内容来源于公众号“大话硬件” 《参考原文:PCB 模块化布局—时钟电路设计》
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