Konkurrierende PCB-Crystal-Layout-Empfehlungen

Dies hängt mit dieser Frage zusammen: Wie ist mein Quarzoszillator-Layout?

Ich versuche, einen 12-MHz-Quarz für einen Mikrocontroller zu entwerfen. Ich habe mehrere Empfehlungen speziell für Kristalle sowie für Hochfrequenzdesign durchgelesen.

In einigen Dingen scheinen sie sich größtenteils einig zu sein:

  1. Spuren so kurz wie möglich halten.
  2. Halten Sie differenzielle Leiterbahnpaare so nah wie möglich an der gleichen Länge.
  3. Isolieren Sie den Kristall von allem anderen.
  4. Verwenden Sie Masseebenen unter dem Kristall.
  5. Vermeiden Sie Durchkontaktierungen für Signalleitungen.
  6. Vermeiden Sie rechtwinklige Biegungen auf Leiterbahnen

Hier ist das Layout dessen, was ich derzeit für meinen Kristall habe:

Kristall-Layout

Das Rot stellt das obere PCB-Kupfer dar und Blau ist die untere PCB-Schicht (es handelt sich um ein 2-Lagen-Design). Das Raster ist 0,25 mm. Unter dem Kristall befindet sich eine vollständige Masseebene (blaue Schicht), und um den Kristall herum befindet sich eine Masse, die über mehrere Durchkontaktierungen mit der unteren Masseebene verbunden ist. Die Spur, die mit dem Pin neben den Taktpins verbunden ist, dient dem externen Reset des uC. Es sollte auf ~ 5 V gehalten werden, und ein Reset wird ausgelöst, wenn es gegen Masse kurzgeschlossen ist.

Ein paar Fragen hätte ich noch:

  1. Ich habe einige empfohlene Layouts gesehen, die die Lastkondensatoren näher am IC platzieren, und andere, die sie auf der anderen Seite platzieren. Welche Unterschiede kann ich zwischen den beiden erwarten, und welche ist empfehlenswert (falls vorhanden)?
  2. Sollte ich die Grundplatte direkt unter den Signalspuren entfernen? Es scheint, als wäre dies der beste Weg, um die parasitäre Kapazität auf den Signalleitungen zu reduzieren.
  3. Würden Sie dickere oder dünnere Spuren empfehlen? Derzeit habe ich 10mil Spuren.
  4. Wann sollte ich die beiden Taktsignale zusammenbringen? Ich habe Empfehlungen gesehen, bei denen die beiden Linien im Wesentlichen aufeinander gerichtet sind, bevor sie zum uC gehen, und andere, bei denen sie getrennt gehalten und langsam zusammengeführt werden, wie ich es derzeit getan habe.

Ist das eine gute Anordnung? Wie könnte es verbessert werden?

Quellen, die ich bisher durchgelesen habe (hoffentlich deckt dies die meisten ab, mir fehlen möglicherweise einige):

  1. Empfehlungen von TI für Hochgeschwindigkeits-Layoutrichtlinien
  2. Überlegungen zum AVR-Hardwaredesign von Atmel
  3. Atmels Best Practices für das PCB-Layout von Oszillatoren

bearbeiten:

Vielen Dank für Ihre Vorschläge. Folgende Änderungen habe ich an meinem Layout vorgenommen:

  1. Die untere Schicht unter dem uC wird als 5-V-Leistungsebene verwendet und die obere Schicht ist eine lokale Erdungsebene. Die Erdungsebene hat eine einzelne Durchkontaktierung zur globalen Erdungsebene (untere Schicht), wo die 5 V mit der Quelle verbunden sind, und zwischen den beiden befindet sich ein 4,7-uF-Keramikkondensator. Das Routing von Boden und Strom wurde viel einfacher!
  2. Ich habe die oberen Erdungselemente direkt unter dem Kristall entfernt, um ein Kurzschließen des Kristallgehäuses zu verhindern.
  3. @RussellMcMahon, ich bin mir nicht sicher, was genau Sie mit Minimieren des Schleifenbereichs meinen. Ich habe ein überarbeitetes Layout hochgeladen, in dem ich die Kristallleitungen zusammenbringe, bevor ich sie an die uC sende. Meinten Sie das?
  4. Ich bin mir nicht ganz sicher, wie ich meine Schutzringschleife um den Kristall vervollständigen kann (im Moment ist es eine Art Hakenform). Soll ich zwei Durchkontaktierungen ausführen, um die Enden zu verbinden (isoliert von der globalen Masse), den Teilring entfernen oder ihn einfach so lassen, wie er ist?
  5. Soll ich den globalen Boden unter dem Kristall/der Kappe entfernen?

aktualisiertes Layout

Das ist gut, Sie werden bei 12 MHz kein Problem haben. Es ist langsam. Platzieren Sie die Kappen in der Nähe des Kristalls. Für diese Frequenz wird kein GND benötigt. Die Dicke spielt keine Rolle, sie werden keinen Strom führen.
Sieht gut genug aus. Xtal so nahe wie möglich an IC. | Minimieren Sie die Schleifenfläche der leitenden Schleife. z. B. hier Leads weiter nach außen bringen, bevor unter xtal gewendet wird. Das machen nur wenige. Erwägen Sie in extremen Fällen, xtal um 90 Grad zu drehen, um die Schleifenfläche auf fast Null zu reduzieren. | Beobachten Sie das Ausmaß der Isolierung um die Stifte herum im Vergleich zur Größe des oberen Pads. Achten Sie darauf, dass die Dose nicht zu kurz ist (ist bekanntermaßen passiert).
@RussellMcMahon Ich bin mir nicht ganz sicher, ob ich Sie bezüglich der Minimierung des Schleifenbereichs richtig verstanden habe. Ich habe ein neues Layout hochgeladen, bei dem die Kristallleitungen direkt miteinander verbunden sind, bevor ich zum uC gehe. Meinten Sie das?
Halten Sie XTALIN und XTALOUT so weit wie möglich voneinander entfernt , um die kapazitive Kopplung zwischen den Signalen zu reduzieren und eine Masse zwischen ihnen hinzuzufügen. Der Miller-Effekt verstärkt die Querkapazität und kann die Schwingungen sogar abtöten.

Antworten (2)

Deine Platzierung ist in Ordnung.

Ihr Routing der Kristallsignalspuren ist in Ordnung.

Deine Erdung ist schlecht. Glücklicherweise macht es Ihr PCB-Design einfacher, wenn Sie es besser machen. Die Rückströme des Mikrocontrollers und die Ströme durch die Quarzkappen enthalten einen erheblichen Hochfrequenzanteil. Diese sollten lokal eingedämmt werden und NICHT über die Hauptgrundebene fließen dürfen. Wenn Sie das nicht vermeiden, haben Sie keine Groundplane mehr, sondern eine mittengespeiste Patchantenne.

Binden Sie den gesamten Boden, der unmittelbar mit dem Mikro verbunden ist, auf der obersten Schicht zusammen. Dazu gehören die Massestifte des Mikros und die Masseseite der Kristallkappen. Verbinden Sie dann dieses Netz an nur einer Stelle mit der Hauptmasseebene . Auf diese Weise bleiben die durch das Mikro und den Quarz verursachten hochfrequenten Schleifenströme im lokalen Netz. Der einzige Strom, der durch die Verbindung zur Hauptmasseebene fließt, sind die Rückströme, die vom Rest der Schaltung gesehen werden.

Für zusätzlichen Kredit, also ähnlich wie beim Stromnetz des Mikros, platzieren Sie die beiden einzelnen Speisepunkte nahe beieinander und setzen Sie dann eine 10-µF-Keramikkappe direkt zwischen die beiden unmittelbar auf die Mikroseite der Speisepunkte. Die Kappe wird zu einem Shunt auf zweiter Ebene für Hochfrequenzleistung zu Erdungsströmen, die von der Mikroschaltung erzeugt werden, und die Nähe der Einspeisepunkte reduziert den Antriebspegel der Patch-Antenne von allem, was Ihren anderen Abwehrkräften entgeht.

Weitere Einzelheiten finden Sie unter https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

Als Reaktion auf Ihr neues Layout hinzugefügt:

Dies ist definitiv besser, da die hochfrequenten Schleifenströme von der Hauptmasseebene gehalten werden. Das sollte die Gesamtstrahlung von der Platine reduzieren. Da alle Antennen symmetrisch als Empfänger und Sender arbeiten, reduziert das auch Ihre Anfälligkeit gegenüber Fremdsignalen.

Ich sehe keine Notwendigkeit, die Massespur von den Kristallkappen zurück zum Mikro so fett zu machen. Es schadet wenig, aber es ist nicht notwendig. Die Ströme sind ziemlich klein, so dass sogar nur eine 8-mil-Spur in Ordnung ist.

Ich sehe wirklich keinen Sinn darin, dass die absichtliche Antenne von den Kristallkappen herunterkommt und sich um den Kristall wickelt. Ihre Signale liegen weit unterhalb der Resonanzgrenze, aber das Hinzufügen von unentgeltlichen Antennen, wenn keine HF-Übertragung oder -Empfang beabsichtigt ist, ist keine gute Idee. Sie versuchen anscheinend, einen "Schutzring" um den Kristall zu legen, haben aber keine Begründung dafür angegeben. Sofern Sie nicht sehr hohe dV/dt in der Nähe und schlecht hergestellte Kristalle haben, gibt es keinen Grund, warum sie Schutzringe haben müssen.

OP hat nach Ihrem Vorschlag einige Änderungen an der Frage vorgenommen. Und ich bin sehr gespannt auf eure Gedanken zum Layout nach dem Edit :)
Das ist ein interessanter Punkt über den Schutzring. In meinem letzten Design habe ich einen solchen Schutzring implementiert, wie er in einer Atmel-Appnote empfohlen wurde. ( atmel.com/images/doc2521.pdf ) Ich hatte keine Probleme mit meiner Taktung, aber andererseits habe ich auch keine FCC-Zulassung bekommen.
Oh durr zu mir, die Atmel-Appnote wurde bereits erwähnt. Ich so dumm.
Olin, es tut mir leid; Ich bin kein Muttersprachler. Was meinten Sie mit "There is little harm in it, but it is not necessary."?
@abdullah: Es bedeutet, dass es keinen Schaden anrichtet, aber auch keinen großen Nutzen bringt. Mit anderen Worten, Sie müssen sich nicht darum kümmern, aber es schadet nichts, wenn Sie es tun.
Was ist mit der Induktivität der Spur? Es wird niedriger sein, wenn die Spur dicker ist. Ist es ein sehr kleiner Unterschied, den es macht, wenn es dicker ist?
@abdullah: Ja, breitere Spuren haben weniger Induktivität und weniger Widerstand. Allerdings ist der Unterschied in einem Fall wie diesem, in dem der Kristall nahe an seinem Treiber ist, so gering, dass er unmetrisch ist. Ich verwende routinemäßig 8-Mil-Spuren und habe keine Probleme beobachtet. Breitere Leiterbahnen nehmen mehr Platz ein und haben an anderer Stelle mehr Kapazität.
"Sie haben keine Grundplatte mehr, sondern eine mittengespeiste Patchantenne" - wahrscheinlich der schlagkräftigste Satz, den ich die ganze Woche gelesen habe :) Könnte nicht mehr zustimmen.
@OlinLathrop: Danke für deine wundervolle Antwort. Ich habe eine ähnliche Schaltung und möchte eine lokale Masseebene erstellen. Ich bin jedoch verwirrt darüber, ob ich lokales Kupfer gießen oder einfach jeden Erdungsstift über einen 10-15-mil-Draht verbinden sollte?
Warum sollten die Oszillatorströme in anderen Teilen der Schaltung fließen? Bei diesen Frequenzen fließen die Ströme direkt unter den Oszillatorsignalen der obersten Schicht.
Da muss ich @Mike zustimmen. Laut dem unten stehenden Link sollte es nicht zu Ground Splitting kommen. Es wird sogar Folgendes erwähnt: „Die Idee hier ist, dass Sie einen Fleck der Grundebene in eine kleine Insel verwandeln und sie an einer Stelle anbringen Ströme zirkulieren in der Masseebene. Tatsächlich habe ich jedes Mal, wenn ich jemanden gesehen habe, der eine Masseebene durchtrennt hat, ein EMI-Problem verursacht.“ resources.altium.com/p/splitting-planes-good-bad-and-ugly
Könnten Sie bitte ein korrigiertes Layoutbild bereitstellen?

Werfen Sie einen Blick auf Atmels Application Note AVR186, „Best Practices for the PCB layout of Oscillators“ unter http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8128-Best-Practices-for-the-PCB- Layout-of-Oscillators_ApplicationNote_AVR186.pdf

Platzieren Sie die Ladekappen neben dem IC; zwischen IC und Kristall. Halten Sie die XTALI-, XTALO-Leiterbahnen kurz, aber minimieren Sie ihre kapazitive Kopplung, indem Sie die Leiterbahnen so weit wie möglich voneinander entfernt halten. Wenn Sie die Spuren länger als einen halben Zoll machen müssen, legen Sie ein Erdungskabel dazwischen, um die Querkapazität zu beseitigen. Umgeben Sie die Leiterbahnen allseitig mit Masse und legen Sie eine Grundplatte unter das Ganze.

Halten Sie die Spuren kurz.