Recomendaciones de diseño de PCB Crystal de la competencia

Esto está relacionado con esta pregunta: ¿Cómo está el diseño de mi oscilador de cristal?

Estoy tratando de diseñar un cristal de 12MHz para un microcontrolador. He estado leyendo varias recomendaciones específicas para cristales, así como para el diseño de alta frecuencia.

En su mayor parte, parecen estar de acuerdo en algunas cosas:

  1. Mantenga los trazos lo más cortos posible.
  2. Mantenga los pares de trazas diferenciales lo más cerca posible de la misma longitud.
  3. Aislar el cristal de cualquier otra cosa.
  4. Usa planos de tierra debajo del cristal.
  5. Evitar vías para líneas de señal.
  6. Evite las curvas en ángulo recto en los trazos

Aquí está el diseño de lo que tengo actualmente para mi cristal:

diseño de cristal

El rojo representa el cobre superior de la PCB y el azul es la capa inferior de la PCB (es un diseño de 2 capas). La rejilla es de 0,25 mm. Hay un plano de tierra completo debajo del cristal (capa azul), y alrededor del cristal hay un suelo unido al plano de tierra inferior mediante varias vías. El rastro que se conecta al pin al lado de los pines del reloj es para el reinicio externo de la uC. Debe mantenerse a ~ 5 V, y se activa un reinicio cuando se produce un cortocircuito a tierra.

Todavía hay algunas preguntas que tenía:

  1. He visto algunos diseños recomendados que colocan los condensadores de carga más cerca del IC y otros que los colocan en el otro lado. ¿Qué diferencias puedo esperar entre los dos y cuál se recomienda (si corresponde)?
  2. ¿Debo eliminar el plano de tierra directamente debajo de los rastros de señal? Parece que esa sería la mejor manera de reducir la capacitancia parásita en las líneas de señal.
  3. ¿Recomendaría trazos más gruesos o más delgados? Actualmente tengo rastros de 10mil.
  4. ¿Cuándo debo juntar las dos señales del reloj? He visto recomendaciones en las que las dos líneas se dirigen esencialmente una hacia la otra antes de dirigirse a la uC, y otras en las que se mantienen separadas y se unen lentamente como lo he hecho actualmente.

¿Es este un buen diseño? ¿Cómo puede ser mejorado?

Fuentes que he leído hasta ahora (espero que esto cubra la mayoría de ellas, es posible que me falten algunas):

  1. Recomendaciones de TI para pautas de diseño de alta velocidad
  2. Consideraciones de diseño de hardware AVR de Atmel
  3. Mejores prácticas de Atmel para el diseño de PCB de osciladores

editar:

Gracias por tus sugerencias. He realizado los siguientes cambios en mi diseño:

  1. La capa inferior debajo del uC se usa como un plano de alimentación de 5 V y la capa superior es un plano de tierra local. El plano de tierra tiene una única vía al plano de tierra global (capa inferior) donde los 5 V se unen a la fuente y hay un capacitor cerámico de 4,7 uF entre los dos. ¡Hizo que el enrutamiento de tierra y energía sea mucho más fácil!
  2. Quité los elementos de tierra superiores directamente debajo del cristal para evitar un cortocircuito en la carcasa del cristal.
  3. @RussellMcMahon, no estoy seguro de qué quiere decir exactamente con minimizar el área del bucle. He subido un diseño revisado en el que reúno los cables de cristal antes de enviarlos a la uC. ¿Es esto lo que quisiste decir?
  4. No estoy del todo seguro de cómo puedo completar el lazo del anillo de protección alrededor del cristal (ahora mismo tiene una especie de forma de gancho). ¿Debo ejecutar dos vías para conectar los extremos (aislados del suelo global), eliminar el anillo parcial o simplemente dejarlo como está?
  5. ¿Debo quitar la tierra global de debajo del cristal/tapa?

diseño actualizado

esto es bueno, no tendrás problema a 12MHz. Es lento. Coloque las tapas cerca del cristal. Para esta frecuencia no se necesita gnd. El grosor no está en juego, no llevarán ninguna corriente.
Se ve lo suficientemente bien. Xtal tan cerca de IC como sea razonablemente posible. | Minimice el área del bucle del bucle conductor. por ejemplo, aquí lleve los conductores más lejos antes de pasar por debajo de xtal. Pocas personas hacen eso. En casos extremos, considere girar xtal a 90 grados para reducir el área del bucle a casi cero. | Observe la extensión del aislamiento alrededor de los pines en comparación con el tamaño de la almohadilla superior. Asegúrese de no hacer un corto entre la lata y las almohadillas (se sabe que sucede).
@RussellMcMahon No estoy del todo seguro si te entendí correctamente acerca de minimizar el área del bucle. Subí un nuevo diseño en el que los cables de cristal van directamente entre sí antes de dirigirse al uC. ¿Es esto lo que quisiste decir?
Mantenga XTALIN y XTALOUT lo más lejos posible entre sí para reducir el acoplamiento capacitivo entre las señales y agregar una conexión a tierra entre ellas. El efecto Miller amplifica la capacitancia cruzada e incluso puede eliminar las oscilaciones.

Respuestas (2)

Su colocación está bien.

Su enrutamiento de los rastros de la señal de cristal está bien.

Tu conexión a tierra es mala. Afortunadamente, hacerlo mejor en realidad facilita el diseño de su PCB. Habrá un contenido significativo de alta frecuencia en las corrientes de retorno del microcontrolador y las corrientes a través de las tapas de cristal. Estos deben estar contenidos localmente y NO permitir que fluyan a través del plano de tierra principal. Si no evita eso, ya no tiene un plano de tierra sino una antena de parche alimentada por el centro.

Ate todo el suelo inmediatamente asociado con el micro en la capa superior. Esto incluye los pines de tierra del micro y el lado de tierra de las tapas de cristal. Luego conecte esta red al plano de tierra principal en un solo lugar . De esta manera, las corrientes de bucle de alta frecuencia causadas por el micro y el cristal permanecen en la red local. La única corriente que fluye a través de la conexión al plano de tierra principal son las corrientes de retorno vistas por el resto del circuito.

Para crédito adicional, algo similar con la red de alimentación del micro, coloque los dos puntos de alimentación individuales uno cerca del otro, luego coloque una tapa de cerámica de 10 µF o más justo entre los dos inmediatamente en el lado del micro de los puntos de alimentación. La tapa se convierte en una derivación de segundo nivel para la alimentación de alta frecuencia a las corrientes de tierra producidas por el microcircuito, y la cercanía de los puntos de alimentación reduce el nivel de activación de la antena de parche de cualquier cosa que escape a sus otras defensas.

Para obtener más detalles, consulte https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

Agregado en respuesta a su nuevo diseño:

Esto es definitivamente mejor porque las corrientes de bucle de alta frecuencia se mantienen fuera del plano de tierra principal. Eso debería reducir la radiación general de la placa. Dado que todas las antenas funcionan simétricamente como receptores y transmisores, eso también reduce su susceptibilidad a las señales externas.

No veo la necesidad de hacer que el rastro del suelo desde las tapas de cristal hasta el micro sea tan gordo. Hay poco daño en ello, pero no es necesario. Las corrientes son bastante pequeñas, por lo que incluso un rastro de 8 mil estará bien.

Realmente no veo el sentido de que la antena deliberadamente baje de las tapas de cristal y se envuelva alrededor del cristal. Sus señales están muy por debajo de donde comenzarán a resonar, pero agregar antenas gratuitas cuando no se pretende transmitir o recibir RF no es una buena idea. Aparentemente, está tratando de poner un "anillo de protección" alrededor del cristal, pero no justificó por qué. A menos que tenga un dV/dt cercano muy alto y cristales mal hechos, no hay razón para que necesiten anillos de protección.

OP ha realizado algunas modificaciones a la pregunta después de su sugerencia. Y tengo mucha curiosidad acerca de sus pensamientos sobre el diseño después de la edición :)
Ese es un punto interesante sobre el anillo de guardia. En mi último diseño, implementé un anillo de protección de este tipo, como se recomendó en una nota de aplicación de Atmel. ( atmel.com/images/doc2521.pdf ) No tuve problemas con mi reloj, pero tampoco obtuve la aprobación de la FCC.
Oh durr para mí, ya se mencionó la nota de Atmel. Yo tan estúpido.
Olín, lo siento; No soy un hablante nativo. ¿Qué quisiste decir con "There is little harm in it, but it is not necessary."?
@abdullah: Significa que no hace ningún daño, pero tampoco brinda muchos beneficios. En otras palabras, no hay necesidad de molestarse en hacer eso, pero no va a lastimar nada si lo hace.
¿Qué pasa con la inductancia de la traza? Será menor cuando el trazo sea más grueso. ¿Es una diferencia muy pequeña que hará cuando sea más grueso?
@abdullah: Sí, las pistas más anchas tienen menos inductancia y menos resistencia. Sin embargo, la diferencia es tan pequeña en un caso como este, donde el cristal está cerca de su conductor, que es inmesurable. Rutinariamente uso rastros de 8 mil y no he observado ningún problema. Los rastros más anchos ocupan más espacio y tienen más capacitancia en otros lugares.
"Ya no tienes un plano de tierra, sino una antena de parche alimentada por el centro", probablemente la frase más punzante que he leído en toda la semana :) No podría estar más de acuerdo.
@OlinLathrop: Gracias por tu maravillosa respuesta. Tengo un circuito similar y quiero hacer un plano de tierra local. Sin embargo, me he confundido sobre si debo verter cobre local o simplemente conectar cada pin gnd a través de un cable de 10-15 mil.
¿Por qué fluirían las corrientes del oscilador en otras partes del circuito? A estas frecuencias, las corrientes fluirán directamente debajo de las señales del oscilador de la capa superior.
Tengo que estar de acuerdo con @Mike. De acuerdo con el enlace a continuación, la división del suelo no debería ocurrir. Incluso menciona lo siguiente: "La idea aquí es convertir un parche del plano de tierra en una pequeña isla y unirlo en un lugar. En casi todos los casos que he visto, alguien está asumiendo que existe algún tipo de problema mágico porque el las corrientes están circulando en el plano de tierra. En realidad, cada vez que he visto a alguien cortar un plano de tierra, han creado un problema de EMI". resources.altium.com/p/splitting-planes-good-bad-and-ugly
¿Podría proporcionar una imagen de diseño corregida?

Eche un vistazo a la nota de aplicación de Atmel AVR186, "Mejores prácticas para el diseño de PCB de osciladores" en http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8128-Best-Practices-for-the-PCB- Layout-of-Oscillators_ApplicationNote_AVR186.pdf

Coloque las tapas de carga al lado del IC; entre el IC y el cristal. Mantenga los rastros de XTALI, XTALO cortos pero minimice su acoplamiento capacitivo manteniendo los rastros lo más lejos posible entre sí. Si necesita que las pistas sean más largas que media pulgada, coloque un cable de tierra entre ellas para eliminar la capacitancia cruzada. Rodea las huellas con tierra por todos lados y coloca un plano de tierra debajo de todo.

Mantenga los rastros cortos.

Recomendaciones de diseño de PCB Crystal de la competencia
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v