時鐘信號調試系列（一）晶振時鐘信號輻射問題調試與設計

   絕大部分芯片都需要使用外部晶振提供時鐘信號，晶振電路的設計不僅僅影響電氣性能指標，同時也會影響電磁兼容性能指標，在原理圖設計階段、PCB設計階段應重點關注。

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

01、無源晶振EMC問題分析調試與設計

  無源晶振的電路設計通常如下圖所示，CF1、CF2電容是晶振負載電容，影響晶振時鐘頻率的偏差，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電阻，RF4電阻主要是用于晶振的輸出幅度調節。

晶振輸出時鐘信號的波形可以通過示波器量測，頻譜可以通過頻譜分析儀測量。無源晶振輸出幅度范圍1.25V~2.5V之間，當輸出幅度過大就會產生過幅失真，產生豐富的高次諧波，具體案例如下圖所示：  

（晶振時鐘高次諧波頻譜）                （晶振時鐘信號波形畸變）

針對晶振輸出時鐘信號的波形失真導致的豐富高次諧波，可以在晶振輸出引腳增加串聯電阻進行限幅，串聯電阻參數應根據實際量測波形進行調整，選擇恰當的參數，通過電阻限幅后的波形與頻譜如下圖所示：

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

  無源晶振輸出時鐘信號波形越接近正弦波，高次諧波就越少，實際電路應用中沒有理想的正弦波，晶振輸出時鐘信號是存在高次諧波。

02、有源晶振EMC問題分析調試與設計

有源晶振電路設計通常如下圖所示，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鐘噪聲；L8、C8組成LC濾波器，目的濾除有源晶振輸出時鐘的高次諧波噪聲，考慮到磁珠會產生過沖，有源晶振輸出時鐘信號的濾波器采用RCL濾波電路

對于有源晶振的波形可以通過示波器量測是否存在過沖、振鈴、信號幅度設置是否過大等情況，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量，根據方波的特性必然存在豐富的高次諧波，在不影響有用時鐘信號質量的前提下，可以增加低通濾波器濾除高次諧波噪聲干擾，有源晶振輸出時鐘信號頻譜如下圖所示：

03、關于晶振PCB Layout設計要點說明

關于有源晶振PCB Layout的注意事項，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，輸出時鐘信號濾波器件也同樣靠近晶振時鐘引腳。

PCB Layout的注意事項主要有：

一是、時鐘信號兩側需要包地，或者采用鄰層完整的平面做參考。

二是、時鐘信號需要做阻抗控制。

三是、時鐘信號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，縮短時鐘信號布線長度。