遙遙領(lǐng)先康納溫菲爾德OCXO布局指南

本應(yīng)用說明中包含的技術(shù)將有助于確保使用恒溫控制的晶體振蕩器（OCXO）成功的印刷電路板布局。布局問題會導(dǎo)致有噪聲和失真的頻率傳輸，容易出錯的數(shù)字通信，閉鎖問題，顯著降低頻率穩(wěn)定性，OCXO晶振內(nèi)的熱不穩(wěn)定性，以及其他不希望的系統(tǒng)行為。包含以下內(nèi)容：

1.電源和接地電路設(shè)計技巧

2.操作/特性理論

3.使用多層板實(shí)現(xiàn)最佳熱條件的技術(shù)

4.設(shè)計清單

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本文介紹的方法應(yīng)視為建議 為PCB的設(shè)計和布局提供一個良好的起點(diǎn)。應(yīng)該注意的是 一個設(shè)計規(guī)則不一定適合所有的設(shè)計。強(qiáng)烈建議 制造原型印刷電路板以測試設(shè)計。

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電源和接地考慮

1，電源和接地，

所有系統(tǒng)設(shè)計都有電源，并且 所有部件共用的接地電路 在黑板上。一個組件的操作可以 影響共享的其他組件的操作 相同的電源和接地電路。

2，電源，

系統(tǒng)電源的目標(biāo)是維持 特定范圍內(nèi)的穩(wěn)定電壓，同時 提供足夠的電流。雖然理想的權(quán)力 電源將保持相同的電壓 可能的電流消耗，真實(shí)世界的系統(tǒng)表現(xiàn)出 以下行為：由一個設(shè)備引起的電流及其相關(guān)噪聲的變化會影響連接到同一電源網(wǎng)的其他設(shè)備，電流消耗的變化會影響電網(wǎng)的電壓。

3，典型的電源系統(tǒng)

石英晶體振蕩器典型的電源電路包括以下:

電壓調(diào)節(jié)器，保持電壓穩(wěn)定在一個要求的范圍內(nèi)，同時為所有被服務(wù)的組件提供足夠的電流

散裝、解耦和旁路電容器

電源電路流道或電源平面

每個電源敏感部件上的局部解耦和旁路電容器。

4，電源管理

不適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)節(jié)可能導(dǎo)致許多系統(tǒng)部件不穩(wěn)定或整個系統(tǒng)故障。

電力不足的時期通常被稱為“停電”，即電源電壓下降到一個不足的水平，或“停電”，即電源電壓完全消失一段時間。

為了使OCXO有源晶振在初始通電時正常通電和配置，Vcc必須超過最大通電復(fù)位（VPOR）電壓，以便設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行配置和初始化。VCC電壓是內(nèi)部監(jiān)控在通電，以正確觸發(fā)設(shè)備配置電路。

在隨后的設(shè)備沒有電源循環(huán)的停電條件下（即，電源電壓不降至0v），Vcc電壓必須降至最小VPOR電壓以下，以清除設(shè)備配置內(nèi)容。隨后，電壓必須再次超過VPOR電壓，以便設(shè)備用新的配置編程。

棕色輸出條件是由Vcc導(dǎo)軌低于數(shù)據(jù)表中由VRAM定義的其各自的數(shù)據(jù)保留電壓來定義的。

最小和最大VPOR電壓和數(shù)據(jù)保留電壓請參考OCXO數(shù)據(jù)表。

通過使用外部低電壓檢測器邏輯和電源管理電路，防止在電源電壓不足期間的系統(tǒng)故障。

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5，由/bor操作

當(dāng)設(shè)備從Vss級別啟動時，將發(fā)生開機(jī)復(fù)位。當(dāng)先前供電的設(shè)備降到指定范圍以下時，就會出現(xiàn)故障。

設(shè)備的RAM保持電壓（VRAM）低于VPOR/VBOR電壓跳閘點(diǎn)。當(dāng)VPRO/ VBOR < Vcc < 2.7V時，OCXO的電氣性能將不符合數(shù)據(jù)表的規(guī)格。

6，通電復(fù)位。

當(dāng)設(shè)備通電時，設(shè)備Vcc將通過VPOR/VBOR電壓。一旦Vcc電壓超過VPOR/VBOR電壓，將發(fā)生以下情況：

揮發(fā)性寄存器用相應(yīng)的非揮發(fā)性寄存器的值加載。

TCONF寄存器將加載工廠編程。

該設(shè)備能夠進(jìn)行數(shù)字/模擬操作。

電力和地面考慮繼續(xù)

7，BrownOut重置

當(dāng)設(shè)備斷電時，設(shè)備Vcc將通過VPOR / VBOR電壓。一旦Vcc電壓降至VPOR / VBOR電壓以下，將發(fā)生以下情況：

工廠串行編程接口。

非揮發(fā)性寄存器不再可編程。

石英晶體振蕩器如果VCC電壓低于VRAM電壓，則發(fā)生以下情況：

揮發(fā)性寄存器可能會損壞。

•TCONF寄存器可能已損壞。

•OCXO石英晶振型爐芯可能失去熱平衡。

•OCXO的頻率穩(wěn)定性可能不符合數(shù)據(jù)表的規(guī)格要求。

當(dāng)電壓恢復(fù)到VPOR / VBOR電壓以上時，請參見“通電復(fù)位”部分

在隨后的停電條件下，設(shè)備沒有正常的電源循環(huán)（即，電源電壓不降至0V），電源電壓必須降至1.6V以下，以清除EEPROM設(shè)備的配置內(nèi)容

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8，電壓調(diào)節(jié)器

電壓調(diào)節(jié)器從外部電源獲取輸入電壓，并將其降到適當(dāng)?shù)碾妷核剑梢詾殡娐钒迳系慕M件供電。兩種常見的調(diào)壓器類型是直流-直流轉(zhuǎn)換器和低輟學(xué)調(diào)壓器（LDO）。在決定使用電壓調(diào)節(jié)器時，請始終檢查調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)表，以匹配組件規(guī)格和系統(tǒng)要求。

當(dāng)集成電路的數(shù)字邏輯門從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時，集成電路的電流輸出以一個由邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換速率或“上升時間”決定的頻率波動。這些電流振蕩導(dǎo)致電源電壓波動，一個小電壓在網(wǎng)絡(luò)由于其固有阻抗。電路的阻抗可以通過仔細(xì)選擇一個電容器，提供一個低阻抗路徑接地高頻。當(dāng)電容器充電或放電時，電流流過它，而電流本身則受到電容器內(nèi)部電阻的限制。這種內(nèi)阻稱為電容電抗，以歐姆為單位表示為XC。不像有固定值的電阻，如100Ω，1kΩ等。電容性電抗隨頻率而變化，因此任何頻率的變化都會對電容器產(chǎn)生影響。通過將電容器放置在設(shè)備的電源銷和接地銷附近，從電源銷到脫鉤電容器接地的回路應(yīng)盡可能小。

9，低退出調(diào)節(jié)器。

低輟學(xué)調(diào)節(jié)器（LDOs）的效率低于直流-直流轉(zhuǎn)換器，但它們也引入了明顯更少的噪聲到電力電路。

10.電源設(shè)備的批量解耦和旁路。

噪聲可以從電壓調(diào)壓器、連接到網(wǎng)絡(luò)的集成電路以及耦合到電源軌跡和平面上的電磁噪聲引入到電源電路中。電源“體積”解耦電容器有助于最小化噪聲的影響，并為電路提供其他好處。大值體積電容器通過提供臨時電荷源來提高供電電流在低頻波動時的性能。許多調(diào)壓器通過使用負(fù)反饋回路拓?fù)鋪砭S持其電壓，這在某些頻率下可能變得不穩(wěn)定。放置在調(diào)節(jié)器輸出處的電容器可以防止電壓供應(yīng)變得不穩(wěn)定。檢查調(diào)節(jié)器的制造商數(shù)據(jù)表是否推薦的電容規(guī)格。散裝解耦電容器應(yīng)盡可能靠近調(diào)壓器的輸出引腳。

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11，接地電路

接地電路會給嵌入式系統(tǒng)引入噪聲并影響元件。一個理想的接地電路是“等電位”，這意味著電路的電壓不會隨電流的變化而變化。實(shí)際接地電路具有特征阻抗，且電壓隨電流的變化而變化。仔細(xì)的PCB設(shè)計可以將這種非理想的行為最小化，以創(chuàng)建一個接地電路，為電流提供一個低阻抗的返回路徑。

12，用地平面進(jìn)行設(shè)計

雖然一些系統(tǒng)通過電線或痕跡將組件連接到接地電路上，但大多數(shù)設(shè)計使用一個接地平面，其中PCB的組件將其接地引腳連接到一個共同的導(dǎo)電平面上。我們強(qiáng)烈建議使用地平面進(jìn)行設(shè)計，原因有二：

1).在并聯(lián)配置中共用接地時，一個設(shè)備的回電流噪聲對其他組件的影響較小。

2).與接地的短連接使電流最小化返回路徑電感，從而引起地面上較大的電壓波動。

13，地面平面填充

一個地平面應(yīng)該盡可能多地覆蓋電路板，即使是在設(shè)備和痕跡之間的空間中。

在痕跡或裝置之間形成的銅“島”應(yīng)始終與地面相連，不得保持漂浮。傳播地平面也有助于噪聲消散和屏蔽痕跡。

注意：必須注意將OCXO恒溫晶振與底層功率和地面平面進(jìn)行熱隔離，以確保OCXO能夠達(dá)到熱平衡。將模擬電流返回路徑與噪聲的數(shù)字電流返回路徑分開可以改善模擬測量。地面隔離也可以提高連接到工業(yè)的或有噪聲的系統(tǒng)的電路板的性能。單獨(dú)的地平面應(yīng)只連接在一個位置，通常是在電源附近。將OCXO與底層功率和地面平面進(jìn)行熱隔離，以確保OCXO能夠達(dá)到熱平衡。

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14，OCXO操作理論

OCXO將一個晶體封裝在一個叫做烤箱的溫度控制室中。頻率穩(wěn)定是通過保持振蕩器烤箱內(nèi)晶體的嚴(yán)格溫度控制來實(shí)現(xiàn)的。必須注意，不要讓燈芯熱能遠(yuǎn)離OCXO石英晶體振蕩器，阻止核心達(dá)到熱平衡。

當(dāng)OCXO被打開時，它會經(jīng)歷一個“預(yù)熱”期，而內(nèi)部烤箱中晶體的溫度穩(wěn)定在明顯高于環(huán)境溫度。

在“預(yù)熱”期間，在達(dá)到正常工作溫度之前，晶體振蕩器的性能將不會達(dá)到規(guī)定的頻率穩(wěn)定性。在烤箱“橋接”后，烤箱內(nèi)的溫度隨著環(huán)境的變化而保持不變。

恒溫控制器的操作方式，如果恒溫的內(nèi)部溫度由于環(huán)境溫度下降而下降，恒溫控制器將提供更多的功率來補(bǔ)償熱損失。同樣地，環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致進(jìn)入烤箱的施加功率減少，而補(bǔ)償溫度降低。

在大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)計中，額外的熱量被認(rèn)為是一個問題，并會導(dǎo)致大多數(shù)設(shè)備的性能下降或最終失效。在OCXO烘爐芯內(nèi)產(chǎn)生的熱量用于保持晶體的恒定溫度。

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典型的熱性能特性

測試條件：除非另有說明，OCXO晶振安裝在插座中，VCC=溫度3.3V，溫度=@25°C。下圖代表了一個DOC052F-010.0MHz OCXO的典型特征

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第3節(jié)：操作/特性理論（續(xù)）
典型熱性能特征