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。
PCB上晶振布局很难？5分钟教你掌握
1、问题描述
某行车记录仪，测试的时候要加一个外接适配器，在机器上电运行测试时发现超标，具体频点是84MHZ、144MH、168MHZ，需要分析其辐射超标产生的原因，并给出相应的对策。辐射测试数据如下：
2、辐射源头分析
该产品只有一块PCB，其上有一个12MHZ的晶体。其中超标频点恰好都是12MHZ的倍频，而分析该机器容易EMI辐射超标的屏和摄像头，发现LCD-CLK是33MHZ，而摄像头MCLK是24MHZ；
通过排除发现去掉摄像头后，超标点依然存在，而通过屏蔽12MZH晶体，超标点有降低，由此判断144MHZ超标点与晶体有关，PCB布局如下：
3、辐射产生的原理
从PCB布局可以看出，12MHZ的晶体正好布置在了PCB边缘，当产品放置与辐射发射的测试环境中时，被测产品的高速器件与实验室中参考接地会形成一定的容性耦合，产生寄生电容，导致出现共模辐射，寄生电容越大，共模辐射越强；
而寄生电容实质就是晶体与参考地之间的电场分布，当两者之间电压恒定时，两者之间电场分布越多，两者之间电场强度就越大，寄生电容也会越大，晶体在PCB边缘与在PCB中间时电场分布如下：
（PCB边缘的晶振与参考接地板之间的电场分布示意图）
（PCB中间的晶振与参考接地板之间的电场分布示意图）
从图中可以看出，当晶振布置在PCB中间，或离PCB边缘较远时，由于PCB中工作地（GND）平面的存在，使大部分的电场控制在晶振与工作地之间，即在PCB内部，分布到参考接地板去的电场大大减小，导致辐射发射就降低了。
4、处理措施
将晶振内移，使其离PCB边缘至少1cm以上的距离，并在PCB表层离晶振1cm的范围内敷铜，同时把表层的铜通过过孔与PCB地平面相连。经过修改后的测试结果频谱图如下，从图可以看出，辐射发射有了明显改善。
5、思考与启示
高速的印制线或器件与参考接地板之间的容性耦合，会产生EMI问题，敏感印制线或器件布置在PCB边缘会产生抗扰度问题。
如果设计中由于其他一些原因一定要布置在PCB边缘，那么可以在印制线边上再布一根工作地线，并多增加过孔将此工作地线与工作地平面相连。
相关问答
