ПРОСТІ СПОСОБИ ЗНИЖЕННЯ ЗАВАД КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

У процесі проєктування та компонування електронних систем і особливо високошвидкісних систем зв’язку пильну увагу слід приділяти кварцевому генератору та пов’язаним з ним периферійним сигнальним ланцюгам . Як джерело сигналу, кварцевий генератор повинен генерувати високоточний вихідний сигнал, тому він повинен бути як надійно захищений від впливу високочастотних шумів, так і відрізнятися мінімальним випромінюванням, тобто мінімальним впливом на інші навколишні електронні пристрої. У статті розглядаються прості та добре відомі способи зниження ступеня впливу різних джерел шуму на кварцевий генератор, а також способи зменшення перешкод, що випромінюються генератором. На рис. 1 наведена спрощена структура кварцевого генератора та основні джерела шуму. Це шум джерела живлення, випромінювання, що створюються ланцюгом поширення вихідного сигналу, та власне шум генератора.

Шуми джерела живлення

Пульсації напруги джерела живлення та імпульсні перешкоди, що генеруються в ланцюзі живлення внаслідок комутації різноманітних навантажень, можуть погіршувати параметри вихідного сигналу кварцевого генератора. Крім того, необхідно також виключити проникнення пульсацій та перешкод, що створюються власне кварцевим генератором, у ланцюг електроживлення. Ланцюг поширення високочастотного вихідного сигналу, по суті, являє собою випромінюючу антену. Істотно знизити шуми, що створюються мікросхемою генератора, та підвищити надійність його роботи можна, забезпечивши стабільну напругу та низький рівень шумів джерела електроживлення кварцевого генератора. Рівень генерованих вихідним ланцюгом перешкод пропорційний величині електричного струму та площі токової петлі контура випромінювання. Їх зменшення призводить до послаблення випромінювання.

Рекомендації щодо зниження рівня перешкод

У загальному випадку для зниження рівня перешкод і шумів рекомендується забезпечити надійне низькоомне підключення стабілізованого джерела живлення, встановити фільтр по ланцюгу живлення та оптимізувати компонування компонентів вихідного ланцюга, що дозволить уникнути вкрай небажаних паразитних випромінювань .

При підключенні ланцюгів джерела живлення та заземлення необхідно забезпечити низький імпеданс з’єднань у широкій смузі частот. У разі одношарової друкованої плати це досягається завдяки використанню великої площі поверхні провідного шару. На багатошаровій друкованій платі, як правило, використовуються незалежні шари для ланцюгів живлення та заземлення. При паяних з’єднаннях справедливе просте правило — більша площа області контакту забезпечує нижчий імпеданс і, отже, гарантує менший рівень шумів.

Фільтри в ланцюгах живлення

Загальноприйнятою практикою є застосування фільтрів у ланцюгах живлення, що дозволяє запобігти поширенню перешкод як від кварцевого генератора у зовнішні ланцюги живлення, так і у зворотному напрямку. У фільтрі, як правило, використовується шунтуючий конденсатор, що встановлюється між силовим ланцюгом та шиною заземлення.

Застосування шунтуючих конденсаторів для зниження електричного імпедансу та «поглинання шумів» — загальновідомий метод. Досить часто їх використання дозволяє уникнути багатьох проблем. Величина ємності стандартних шунтуючих конденсаторів становить 0.01…1 мкФ, однак її слід вибирати по можливості якнайменше. При цьому необхідно враховувати те, що повинен забезпечуватися мінімально можливий імпеданс між ланцюгом живлення (VCC) та шиною заземлення (GND) на частотах, принаймні, у три рази вищих за робочу частоту генератора. Крім того, параметри конденсатора на високій частоті не повинні погіршуватися, що може потягнути за собою збільшення імпедансу.

Для ефективного придушення шумів шунтуючий конденсатор по можливості повинен бути встановлений якомога ближче до кварцевого генератора. У міру зростання довжини друкованих провідників паразитна індуктивність буде збільшуватися і, відповідно, зростатиме імпеданс на вищих частотах. Слід уникати варіанта трасування провідників до шунтуючого конденсатора, як показано на рис. 2.

Для зниження рівня перешкод, викликаних вихідним сигналом, слід зменшити його спотворення (рис. 3), а для мінімізації небажаних випромінювань необхідно при трасуванні вживати відповідних заходів для зменшення ефективності паразитної антени, утвореної сигнальними провідниками та шиною заземлення.

Підключення джерела високочастотного сигналу до навантаження, як правило, призводить до спотворення форми вихідного сигналу. У випадку, якщо лінія зв’язку коротка, спотворення виникають за рахунок паразитних коливань («дзвону») у високодобротному резонансному контурі, утвореному вихідними ланцюгами. Якщо лінія довга, спотворення породжуються за рахунок відбиття сигналу. В обох випадках для їх усунення можливо знадобиться підключення узгоджувальних резисторів на стороні передачі або прийому. За відсутності узгоджувальних резисторів відбиття від кінців лінії можуть повністю спотворити сигнал, зробивши неможливою передачу даних.

Узгодження імпедансів

Резонансні явища в короткій лінії справляють фактично такий же вплив на спотворення сигналу, як і відбиття в довгій лінії. Підключення кварцевого генератора до вхідного пристрою досить часто призводить до спотворення форми вихідного сигналу генератора (рис. 4). Ці спотворення, викликані високочастотними гармоніками, що перевищують частоту коливань генератора від 3 до 7 разів, вкрай небажані і їх необхідно усунути.

Найпростіший спосіб — увімкнути послідовний резистор між виходом кварцевого генератора та ланцюгом передачі сигналу (рис. 4). Опір резистора обчислюється з простого виразу: Ro + Rs = ZO. Для визначення оптимального значення опору послідовного резистора можна провести тестування, в ході якого за результатами зміни форми сигналу залежно від величини опору Rs вибирається його величина.

Як правило, вихідний сигнал буде спотворюватися при невідповідності між вихідним та вхідним імпедансами. У цьому випадку в результаті відбиття спотворюється форма сигналу, що призводить до високочастотних перешкод. Коли сигнал кварцевого генератора розподіляється на кілька пристроїв, спотворення форми сигналу можуть викликати т. н. тригерні помилки. Таким чином, узгодження імпедансів — життєво необхідно. Щоб запобігти ехо-сигналу від приймального пристрою, кінцева навантаження лінії повинна бути рівною імпедансу лінії.

На рис. 5 наведено два можливих варіанти узгодження на стороні навантаження. У схемі узгодження лінії передачі зі зміщенням рівня сигналу по постійному струму еквівалентний опір паралельного з’єднання резисторів (R1 і R2) вибирається рівним хвильовому опору лінії передачі.

У деяких випадках для зменшення статичної розсіюваної потужності в схему узгодження на стороні навантаження вмикають конденсатор. У цьому випадку опір резистора R вибирається рівним хвильовому опору лінії, а постійна часу (RC) повинна бути набагато більшою, ніж тривалість періоду слідування вихідних імпульсів.

Фільтрація та трасування

У більшості випадків спотворення форми вихідного сигналу усуваються при використанні послідовного опору або в результаті узгодження імпедансів. Фільтрація використовується в тих випадках, коли ці методи не вирішують проблему. Застосування фільтра є ефективним методом усунення високочастотного шуму, але це призводить до збільшення тривалості наростаючого та спадаючого фронту сигналу, що необхідно враховувати при виборі фільтра. Крім того, використання в фільтрі конденсатора великої ємності може призвести до збільшення струму і, відповідно, збільшення генерованих перешкод.

Слід врахувати, що при трасуванні провідників слід уникати прямих кутів. Приклад трасування провідників під кутом 45°, а також по закругленій траєкторії наведений на рис. 6. На завершення описано два простих способи, використання яких гарантує зниження рівня шуму.

Вихідний ланцюг генератора

Вихідний ланцюг генератора — джерело не тільки корисного сигналу, але також може бути порівняно потужним джерелом перешкод. Тому довжина провідників вихідного ланцюга повинна бути максимально короткою. Використання коротких провідників дозволяє змістити резонансну частоту контура, утвореного вихідним ланцюгом, у бік вищих частот і спростити демпфування високочастотних складових, що в свою чергу призводить до зниження рівня перешкод.

Рівень випромінювань, що генеруються вихідним ланцюгом, пропорційний струму та довжині контура токової петлі. Тому вкрай важливо, щоб ланцюг вихідного сигналу та ланцюг заземлення були якомога коротшими. Один з простих способів досягти цього — розмістити площину заземлення на протилежній стороні друкованої плати.

Реалізація комплексу захисних заходів гарантує стабільність параметрів кварцевого осцилятора та низький рівень високочастотного випромінювання.