ПРОСТЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОМЕХ КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

В процессе проектирования и компоновки электронных систем и особенно высокоскоростных систем связи пристальное внимание следует уделять кварцевому генератору и связанным с ним периферийным сигнальным цепям . Как источник сигнала, кварцевый генератор должен генерировать высокоточный выходной сигнал, поэтому он должен быть как надежно защищен от воздействия высокочастотных шумов, так и отличаться минимальным излучением, т.е. минимальным влиянием на другие окружающие электронные устройства. В статье рассматриваются простые и хорошо известные способы снижения степени воздействия разных источников шума на кварцевый генератор, а также способы уменьшения помех, излучаемых генератором. На рис. 1 приведена упрошенная структура кварцевого генератора и основные источники шума. Это шум источника питания, излучения, создаваемые цепью распространения выходного сигнала, и собственно шум генератора.

Рис. 1. Типовая структура кварцевого генератора

Пульсации напряжения источника питания и импульсные помехи, генерируемые в цепи питания вследствие коммутации разнообразных нагрузок, могут ухудшать параметры выходного сигнала кварцевого генератора. Кроме того, необходимо также исключить проникание пульсаций и помех, создаваемых собственно кварцевым генератором, в цепь электропитания. Цепь распространения высокочастотного выходного сигнала, по сути, представляет собой излучающую антенну. Существенно снизить шумы, создаваемые микросхемой генератора, и повысить надежность его работы можно, обеспечив стабильное напряжение и низкий уровень шумов источника электропитания кварцевого генератора. Уровень генерируемых выходной цепью помех пропорционален величине электрического тока и площади токовой петли контура излучения. Их уменьшение приводит к ослаблению излучения.
В общем случае для снижения уровня помех и шумов рекомендуется обеспечить надежное низкоомное подсоединение стабилизированного источника питания, установить фильтр по цепи питания и оптимизировать компоновку компонентов выходной цепи, что позволит избежать крайне нежелательных паразитных излучений .

При подключении цепей источника питания и заземления необходимо обеспечить низкий импеданс соединений в широкой полосе частот. В случае однослойной печатной платы это достигается благодаря использованию большой площади поверхности проводящего слоя. На многослойной печатной плате, как правило, используются независимые слои для цепей питания и заземления. При паяных соединениях справедливо простое правило – большая площадь области контакта обеспечивает более низкий импеданс и, следовательно, гарантирует меньший уровень шумов.
Общепринятой практикой является применение фильтров в цепях питания, что позволяет предотвратить распространение помех как от кварцевого генератора во внешние цепи питания, так и в обратном направлении. В фильтре, как правило, используется шунтирующий конденсатор, устанавливаемый между силовой цепью и шиной заземления.
Применение шунтирующих конденсаторов для снижения электрического импеданса и «поглощения шумов» – общеизвестный метод. Зачастую их использование позволяет избежать многих проблем. Величина емкости стандартных шунтирующих конденсаторов составляет 0.01…1 мкФ, однако ее следует выбирать по возможности как можно меньше. При этом необходимо учитывать то, что должен обеспечиваться минимально возможный импеданс между цепью питания (VCC) и шиной заземления (GND) на частотах, по крайней мере, в три раза превышающих рабочую частоту генератора. Кроме того, параметры конденсатора на высокой частоте не должны ухудшаться, что может повлечь за собой увеличение импеданса.
Для эффективного подавления шумов шунтирующий конденсатор по возможности должен быть установлен как можно ближе к кварцевому генератору. По мере роста длины печатных проводников паразитная индуктивность будет увеличиваться и, соответственно, расти импеданс на более высоких частотах. Следует избегать варианта трассировки проводников к шунтирующему конденсатору, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Вариант правильной трассировки
проводников к шунтирующему конденсатору

Для снижения уровня помех, вызванных выходным сигналом, следует уменьшить его искажения (рис. 3), а для минимизации нежелательных излучений необходимо при трассировке принимать соответствующие меры для уменьшения эффективности паразитной антенны, образованной сигнальными проводниками и шиной заземления.

Рис. 3. Возможные искажения формы сигнала

Подключение источника высокочастотного сигнала к нагрузке, как правило, приводит к искажению формы выходного сигнала. В случае, если линия связи короткая, искажения возникают за счет паразитных колебаний («звона») в высокодобротном резонансном контуре, образованном выходными цепями. Если линия длинная, искажения порождаются за счет отражения сигнала. В обоих случаях для их устранения возможно понадобится подключение согласующих резисторов на стороне передачи или приема. При отсутствии согласующих резисторов отражения от концов линии могут полностью исказить сигнал сделав невозможным передачу данных.
Резонансные явления в короткой линии оказывают фактически такое же влияние на искажения сигнала, как и отражения в длинной линии Подключение кварцевого генератора к входному устройству зачастую приводит к искажению формы выходного сигнала генератора (рис. 4). Эти искажения, вызванные высокочастотными гармониками, превышающими частоту колебаний генератора от 3 до 7 раз, крайне нежелательны и их необходимо устранить.

Рис. 4. Устранение искажений сигнала
с использованием последовательного резистора

Самый простой способ – включить последовательный резистор между выходом кварцевого генератора и цепью передачи сигнала (рис. 4). Сопротивление резистора вычисляется из простого выражения: Ro + Rs = ZO. Для определения оптимального значения сопротивления последовательного резистора можно провести тестирование, в ходе которого по результатам изменения формы сигнала в зависимости от величины сопротивления Rs выбирается его величина.
Как правило, выходной сигнал будет искажаться при несоответствии между выходным и входным импедансами. В этом случае в результате отражения искажается форма сигнала, что приводит к высокочастотным помехам. Когда сигнал кварцевого генератора распределяется на несколько устройств, искажения формы сигнала могут вызывать т. н. триггерные ошибки. Таким образом, согласование импедансов – жизненно необходимо. Чтобы предотвратить эхо-сигнал от приемного устройства, оконечная нагрузка линии должна быть равна импедансу линии.
На рис. 5 приведены два возможных варианта согласования на стороне нагрузки. В схеме согласования линии передачи со смещением уровня сигнала по постоянному току эквивалентное сопротивление параллельного соединения резисторов (R1 и R2) выбирается равным волновому сопротивлению линии передачи.

Рис. 5. Варианты согласования импедансов

В некоторых случаях для уменьшения статической рассеиваемой мощности в схему согласования на стороне нагрузки включают конденсатор. В этом случае сопротивление резистора R выбирается равным волновому сопротивлению линии, а постоянная времени (RC) должна быть намного больше чем длительность периода следования выходных импульсов.
В большинстве случаев искажения формы выходного сигнала устраняются при использовании последовательного сопротивления или в результате согласования импедансов. Фильтрация используется в тех случаях, когда эти методы не решают проблему. Применение фильтра является эффективным методом устранения высокочастотного шума, но это приводит к увеличению длительности нарастающего и спадающего фронта сигнала, что необходимо учитывать при выборе фильтра. Кроме того, использование в фильтре конденсатора большой емкости может привести к увеличению тока и, соответственно, увеличению генерируемых помех.
Следует учесть, что при трассировке проводников следует избегать прямых углов. Пример трассировки проводников под углом 45°, а также по закругленной траектории приведен на рис. 6. В заключение описаны два простых способа, использование которых гарантирует снижение уровня шума.

Рис. 6. Примеры правильной трассировки проводников

Выходная цепь генератора – источник не только полезного сигнала, но также может быть сравнительно мощным источником помех. Поэтому длина проводников выходной цепи должна быть максимально короткой. Использование коротких проводников позволяет сместить резонансную частоту контура, образованного выходной цепью, в сторону более высоких частот и упростить демпфирование высокочастотных составляющих, что в свою очередь приводит к снижению уровня помех.
Уровень излучений, генерируемых выходной цепью, пропорционален току и длине контура токовой петли. Поэтому крайне важно, чтобы цепь выходного сигнала и цепь заземления были бы как можно короче. Один из простых способов добиться этого – разместить плоскость заземления на противоположной стороне печатной платы.
Реализация комплекса защитных мер гарантирует стабильность параметров кварцевого осциллятора и низкий уровень высокочастотного излучения.