一、【序文】

       石英晶体振荡器是信号源的核心所在。在构建各种电子设备及通信系统设备等过程中，石英晶体振荡器周围的电路结构及设计对系統能否最大程度发挥功能起着重要的作用。特别是石英晶体振荡器周围电路，由于将在搭载数字电路的基板上以最高速度开关工作，较易产生噪音，所以设计电路之际必须对比十分注意。作为降低噪音电路设计的指南，本文将就使用石英晶体振荡器的周电路设计中的噪音对策进行解说。

二、【石英晶体振荡器及周围电路的噪音发生源】

图1：噪音种类

（一）、《图1》表示一般情况下石英晶体振荡器及其周围电路所的噪音。

   如《图1》所示，噪音发生源分为三大类：

（1）来自电源线的噪音：在石晶体振荡器的工作过程中，电源线中将产生脉动。电源线起到天线的作用脉动作为噪音释放。防止电源噪音时重要的是如何阻止或吸收石英晶体振荡器所产生的脉动流入电源线。为此而采取的对策可防止其它元器件所产生的外來噪音进入石英晶体振荡器，因此亦可实现石英晶体振荡器的工作稳定。

（2）来自输岀线路的噪音：来自输出线路的噪音是指输出线路起到天线的作用將石英晶体振荡器输岀的信号作为噪音释放。这种噪音的对策是使输岀波形既符合所定要求又难以释放噪音，以及形成难以释放噪音的输岀线路。

（3）来自石英晶体振荡器的噪音：来自石英晶体振荡器的噪音是指石英晶体振荡器内部的集成电路与布线所释放的噪音。这种噪音的对策是使石英晶体振荡器的电源供给保持稳定，且保证要求的输岀波形的基础上使石英晶体振荡器稳定工作。这些是电源线及输岀线路共同的对策。

       通常所的噪音指上述三种噪音的总称，（1）至（3）所示的各发生源的噪音释放量与流过的电流量和电流环路的大小成正比。电流量越大，或者电流环路越大，噪音的释放量越多。

①石英晶体振荡器及其周电路在流过的电流量与电流环路大小方面一般存着以下关系：

②电流量：电源线=石英晶体振荡器>输出线路

③电流环路的大小：输出线路>电源线>>石英晶体振荡器

       从上述关系中可以得出，在石英晶体振荡器及其周围电路所产生的噪音中，输出线路所产生的最多，其次是电源线，而石英晶体振荡器本身所释放的噪音量与这两种噪音相比极小。

三、【噪音对策】

   以上明了石英晶体振荡器及其周电路中的噪音发生源，接下来说明降低噪音的对策。降低噪音的对策有以下三种基本方法：

（1）设置稳定的电源线与接地线

       稳定的电源线与接地线是指大范围频带(特别是高频)中的阻抗极小，且任何点上的电平相同的导体。接地线是电路的标准电平，所以最需要保持稳定，其电路设计具体应做到表面面积大且无宽度变窄之处。采用多层板时，电源线与接地线应当分别采用独立的布线层，有连接部分时应增大接触面积，以便在高频带中亦保较小的阻抗。

（2）对电源噪音进行过滤：

       在电源线及接地线中设置滤波器，以防石英晶体振荡器的噪音流入电源线或接地线，或防止其它电路所产生的噪音通过电源线流入石英晶体振荡器。电源线和接地线一般采用旁路电容器作为滤波器。以下进行详细说明。

（2-a）旁路电容器

       旁路电容器常用于除去噪音。它可以降低交流电源的阻抗使电路稳定工作，还可以吸电源线中的噪音。大多噪音问题可通过选择安装适宜常数的旁路电容器來解决。旁路电容器的适宜常数设定与安装方法如下所述。

（2-a-1）旁路电容器容量

      通常使用的旁路电容器容量大致在0.01uF至0.1uF之间。电容器容量尽可能设定为较小的数值，且将石英晶体振荡器的电源电压Vcc、从接地线来看电源线的阻抗控制在石英晶体振荡器输岀频率约3倍的频带内。设定时应当确认电容的频率阻抗特性，防止高频侧或低频侧的阻抗增大。

图2：旁路电容器安装例

（2-a-2）旁路电容器的安装

       旁路电容器应尽可能安装在靠近石英晶体振荡器电源的地方。布线图案的距离越长寄生电感越大，高频侧的阻抗随之变大。布线应先连接旁路电容器后连接到电源线。这样，噪音必将通过旁路电容器，从而提高噪音去除效果。

       而且，旁路电容器的安装应避免如《同图2之a》所示的布线图案。高音通常直线前，如果采用《图2之a》所示的布线图案，噪音不通过旁路电容器。为此请使用类似《图2之b》的布线图案。

（3）在基板上配置稳定的输岀线路:

      稳定的输岀线路是指，能够把石英晶体振荡器出的波形在不失真的情况下准确传输到输入对象的元器件，并能够尽可能减少噪音释放的线路。

图3：输出波形特性

       稳定的输岀线路的设置基础如《图3之a》所示，应确保输入侧所需t_r、t_f、V_OH、V_OL等波形特性：且如《图3之b》的输岀波形所示，应当去除不必要的信号，例如过冲、下冲、振影或反射波等。而且，还应降低输岀线路的作为天线释放噪音的效率，使噪音难以释放。

       避免输岀波形失真的对策可列举岀以下4种方法，各方法的具体说明如下：

图4：连接串联电阻电路图

（a）、连接串联电阻：

       石英晶体振荡器连接输入对象的元器件时，通常产生过冲、下冲或振铃等波形变形。这些变形的波形中含有振荡频率的约3-7倍的射频成份，将引发噪音，所以必须去除。为了去除射频成份，应在石英晶体振荡器的输出端与输岀线路之间连接串联电阻，如《图4》所示。所插入的电阻值(Rs)等于输岀线路的阻抗(Z0)与石英晶体振荡器的输岀阻抗(R0)之差。串联电阻最佳值亦可通过实验得岀。实验方法是边用示波器等观察输出波形，边串联电阻值从小逐渐调大，得岀过冲、下冲或振影等消失时的电阻值。

（b）、连接终端电阻：

        终端电阻是否连接取決于所使用的数字或模拟信号种类，以及输岀波形的时钟线的种类。

        输岀波形的失真一般出现在输岀线路的阻抗与输入对象元器件的输入阻抗不匹配的情况之下。非匹配状态的行进波在输入端被反射后，反射波与行进波相重叠使输岀波形出现紊乱，从紊乱部分产生高频率的噪音。将石英晶体振荡器的输岀分支传送到多只元器件使用时，上述波形失真或引起触发误差。因此阻抗匹配十分重要。

        为了防止从输入端的反射，应当接终电阻使输入端的阻抗等于输岀路线的阻抗。并联终匹配如《图5》所示，可分为单电阻和双电阻。

图5：终端电阻的端接方法

（c）、连接滤波器：

       通常可以使用串联电阻或终端电阻对输岀波形进行整形。若由此仍然无法完全解決问题，则使用滤波器。使用滤波器可去除高频率的噪音，但tr、tf將变大(脉冲前后沿变圆）。因此必须选择能够满足tr、tf特性的滤波器。尚需注意的是，如果在滤波器中使用了电容较大的电容器，则將使电流量变大，反而促使释放的噪音变大。

（d）、输出线路的阻抗匹配：

       为了减少输出线路中的波形反射，需要尽量将输出线路的阻抗保持一定。如《图6》所示，可以將输出线路电路图案设计成45度拐角或若有可能设计成圆形拐角，避免使用直角拐角，以此使输岀线路的阻抗保持一定。还应避免使用通孔和T形接头。

图6：输出线路布线图案拐角例

以上说明了有关噪音的对策，最后介绍减少噪音释放的两项最重要方法。

（a）、缩短输岀线路：

       输出线路是电路中最容易释放噪音的部分。为此，在设计电路图案之际，应当最优先设计输岀线路部分，采用长度最短、无阻抗变动的最佳输出线路图案。缩短后的输出线路布线的谐振频率將变得高。输出的信号随频率增大而衰减，从而导致释放的噪音减少。

（b）、缩小电流环路：

       如之前所述，来自输出线路的噪音释放量与电流环路的大小成正比。因此，必須尽量缩短石英晶体振荡器和输入元器件的输出线路与接地线长度，故而亦可采用在输岀线路的背面印制接地线的方法。

综上所述，石英晶体振荡器周围电路的适宜设计对减少噪音极为重要。只要电路设计妥善适宜，即可避免噪音问题，从而充分发挥元器件本身所其有的性能。