什么是晶振？晶振在PCB板上如何布局？全是精髓

晶振是数字电路设计中关键先生，通常在电路设计当中，晶振都当作数字电路中的心脏部分，数字电路的所有工作都离不开时钟信号，而恰好晶振便是直接控制整个系统正常启动的那个关键按钮，可以说要是有数字电路设计的地方就可以看到晶振。

一．晶振的定义

晶振一般是指石英晶体振荡器和石英晶体谐振器两种，也可以直接叫晶体振荡器。都是利用石英晶体的压电效应制作而成。

它的工作原理是这样的：在晶体两个电极上加上电场后，晶体会发生机械变形，相反的，若是在晶体的两端加上机械压力后，晶体又会产生电场。这种现象是可逆的，所以利用晶体的这种特性，在晶体两端加上交变电压，晶片就会产生机械振动，同时又会产生交变电场。但是晶体产生的这种振动和电场一般都会很小，但只要在某个特定频率下，振幅就会明显增大，就类似我们电路设计者常能见到的LC回路谐振同理。

二．晶振的分类

①无源晶振

无源晶振为晶体，一般是2引脚的无极性器件（部分无源晶振有无极性的固定引脚）。

无源晶振一般需借助于负载电容形成的时钟电路才能产生振荡信号（正弦波信号）。

②有源晶振

有源晶振为振荡器，通常是4个引脚。有源晶振不需要CPU的内部振荡器，产生方波信号。有源晶振供电便能产生一个时钟信号。

有源晶振信号稳定，质量较好，而且连接方式比较简单，精度误差比无源晶振更小，价格比无源晶振更贵。

三．晶振的等效电路

事实上，晶振的作用就像一个串联的RLC电路。

晶振的等效电路显示了一个串联的RLC电路，表示晶振的机械振动，与一个电容并联表示与晶振的电气连接，而晶振振荡器便朝着串联谐振运行工作。

其中，R是ESR等效串联电阻，L和C分别是等效电感和电容，Cp为寄生电容。

四．晶振的基本参数

一般晶振的基本参数有：工作温度、精度值、匹配电容、封装形式、核心频率等。

晶振的核心频率：一般晶振频率的选择取决于频率元器件的要求规定，像MCU一般是一个范围，大部分都是从4M到几十M不等。

晶振的精度:晶振的精度普遍在±5PPM、±10PPM、±20PPM、±50PPM等，高精度的时钟芯片一般在±5PPM之内，一般运用都会选择在±20PPM左右。

晶振的匹配电容：通常通过调整匹配电容的值，可以更改晶振的核心频率，目前在做高精度晶振时，都是用该方法来进行调整。

五．晶振在PCB板的设计布局

作为数字电路中的心脏，晶振影响着整个系统的稳定性，系统晶振的选择，决定了数字电路的成败。

由于晶振内部存在石英晶体，受到外部撞击等情况造成晶体断裂，很容易造成晶振不启振，所以通常在电路设计时，要考虑晶振的可靠安装，其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等地方。PCB对晶振布局时通常注意以下几点：

①晶振不能距离板边太近、晶振的外壳必须接地 ，否则易导致晶振辐射杂讯。

在板卡设计时尤其需要注意这点。外壳接地可以避免晶振向外辐射，同时可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。如果一定要布置在PCB边缘，可以在晶振印制线边上再布一根GND线，同时在包地线上间隔一段距离就打过孔，将晶振包围起来。

②晶振下方不能布信号线 ，否则易导致信号线耦合晶振谐波杂讯。

保证完全铺地，同时在晶振的300mil范围内不要布线，这样可以防止晶振干扰其他布线、元器件和层的性能。

③若滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布 ，会使滤波器的滤波效果变差。

耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，按电源流入方向，依容值从大到小顺序摆放。

④时钟信号的走线应尽量简短，线宽大一些 ，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

以下图布局为例，晶振的布局方式会相对更优：

①晶振的滤波电容与匹配电路靠近MCU芯片位置，远离板边。

②晶振的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布，靠近晶振摆放整齐紧凑。

③晶振靠近芯片处摆放，到芯片的走线尽量短而直。

在电路系统中，高速时钟信号线优先级最高。时钟线是一个敏感信号，频率越高，要求走线尽量简短，以保证信号的失真度达到最小。

因为现在很多电路中，系统晶振时钟频率很高，所以干扰谐波出来的能量也强，谐波除了会从输入与输出两条线导出来外，也会从空间辐射出来，这也导致若PCB中对晶振的布局不够合理，会很容易造成很强的杂散辐射问题，并且一旦产生，很难再通过其他方法来解决，所以在PCB板布局时对晶振和CLK信号线布局非常重要。

PCB设计中，晶振选型及布局注意事项

晶振，老生常谈的话题。在往期文章中，小编对晶振从各大方面进行过讲解，如PCB板上配备哪些晶振。而在本文中，将同大家一同探讨如何进行PCB晶振设计。如果你对本文将要讨论的晶振问题存在一定兴趣，不妨继续往下阅读哦。

我们常把晶振比喻为数字电路的心脏，这是因为，数字电路的所有工作都离不开时钟信号，晶振直接控制着整个系统，若晶振不运作那么整个系统也就瘫痪了，所以晶振是决定了数字电路开始工作的先决条件。

我们常说的晶振，是石英晶体振荡器和石英晶体谐振器两种，他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形，反之，如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。并且，这两种现象是可逆的。利用这种特性，在晶体的两侧施加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小，但是在某个特定频率下，振幅会明显加大，这就是压电谐振，类似于我们常见到的LC回路谐振。

作为数字电路中的心脏，晶振在智能产品中是如何发挥作用的呢?以智能家居如空调、窗帘、安防、监控等产品来说，都需要无线传输模块，它们通过蓝牙、WIFI或ZIGBEE等协议，将模块从一端发到另一端，或直接通过手机控制，而晶振就是无线模块里的核心元件，影响着整系统的稳定性，所以选择好系统使用的晶振，决定了数字电路的成败。

由于晶振在数字电路中的重要性，在使用和设计的时候我们需要小心处理：

1、晶振内部存在石英晶体，受到外部撞击或跌落时易造成石英晶体断裂破损，进而造成晶振不起振，所以在设计电路时要考虑晶振的可靠安装，其位置尽量不要靠近板边、设备外壳等。

2、在手工焊接或机器焊接时，要注意焊接温度。晶振对温度比较敏感，焊接时温度不能过高，并且加热时间尽量短?

合理的晶振布局可以抑制系统辐射干扰

一、问题描述

该产品为野外摄像机，内分核心控制板、sensor 板、摄像头、SD 存储卡和电池五部分组成，外壳为塑胶壳，小板仅有两个接口：DC5V 外接电源接口和数据传输的USB 接口。经过辐射测试发现有33MHz 左右的谐波杂讯辐射问题。

原始测试数据如下：

二、分析问题

该产品外壳结构塑胶外壳，是非屏蔽材料，整机测试只有电源线和USB 线引出壳体，难道干扰频点是由电源线和USB 线辐射出来的吗?故分别作了一下几步测试：

( 1 ) 仅在电源线上加磁环，测试结果：改善不明显;

( 2 ) 仅在USB 线上加磁环，测试结果：改善仍然不明显;

( 3 ) 在USB 线和电源线都加磁环，测试结果：改善较明显，干扰频点整体有所下降。

从上可得，干扰频点是从两个接口带出来的，并非是电源接口或USB 接口的问题，而是内部干扰频点耦合到这两个接口所导致的，仅屏蔽某一接口不能解决问题。

经过近场量测发现，干扰频点来之于核心控制板的一个32.768KHz 的晶振，产生很强的空间辐射，使得周围的走线和GND 都耦合了32.768KHz 谐波杂讯，再通过接口USB 线和电源线耦合辐射出来。而该晶振的问题在于以下两点问题所导致的：

( 1 ) 晶振距离板边太近，易导致晶振辐射杂讯。

( 2 ) 晶振下方有布信号线，，这易导致信号线耦合晶振的谐波杂讯。

( 3 ) 滤波器件放在晶振下方，且滤波电容与匹配电阻未按照信号流向排布，使得滤波器件的滤波效果变差。

三、解决对策

根据分析得出以下对策：

(1)晶体的滤波电容与匹配电阻靠近CPU 芯片优先放置，远离板边;

(2)切记不能在晶体摆放区域和下方投影区内布地;

(3)晶体的滤波电容与匹配电阻按照信号流向排布，且靠近晶体摆放整齐紧凑;

(4)晶体靠近芯片处摆放，两者间的走线尽量短而直。

可以参考如下图布局方式：

经整改后，样机测试结果如下：

四、结论

现今很多系统晶振现今很多系统晶振时钟频率高，干扰谐波能量强;干扰谐波除了从其输入与输出两条走线传导出来，还会从空间辐射出来，若布局不合理，容易造成很强的杂讯辐射问题，而且很难通过其他方法来解决，因此在PCB 板布局时对晶振和CLK 信号线布局非常重要。

晶振的PCB设计注意事项

(1) 耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，位置摆放顺序：按电源流入方向，依容值从大到小依次摆放，容值最小的电容最靠近电源引脚。

(2) 晶振的外壳必须接地，可以晶振的向外辐射，也可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。

(3) 晶振下面不要布线，保证完全铺地，同时在晶振的300mil范围内不要布线，这样可以防止晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

(4) 时钟信号的走线应尽量短，线宽大一些，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

(5) 晶振不要放置在PCB板的边缘，在板卡设计时尤其注意该点。

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