时钟信号调试系列（一）晶振时钟信号辐射问题调试与设计

   绝大部分芯片都需要使用外部晶振提供时钟信号，晶振电路的设计不仅仅影响电气性能指标，同时也会影响电磁兼容性能指标，在原理图设计阶段、PCB设计阶段应重点关注。

   晶振分为有源晶振和无源晶振两种，无源晶振输出的时钟信号是正弦波，而有源晶振输出的时钟信号是方波，方波具有丰富的高次谐波噪声，是导致辐射发射超标的重要因素之一，而理想的正弦波几乎不存在高次谐波，辐射发射测试相对比较容易通过。

01、无源晶振EMC问题分析调试与设计

  无源晶振的电路设计通常如下图所示，CF1、CF2电容是晶振负载电容，影响晶振时钟频率的偏差，RF1电阻的主要作用是防止晶振停振用的，部分晶振电路没有这个电阻，RF4电阻主要是用于晶振的输出幅度调节。

晶振输出时钟信号的波形可以通过示波器量测，频谱可以通过频谱分析仪测量。无源晶振输出幅度范围1.25V~2.5V之间，当输出幅度过大就会产生过幅失真，产生丰富的高次谐波，具体案例如下图所示：  

（晶振时钟高次谐波频谱）                （晶振时钟信号波形畸变）

针对晶振输出时钟信号的波形失真导致的丰富高次谐波，可以在晶振输出引脚增加串联电阻进行限幅，串联电阻参数应根据实际量测波形进行调整，选择恰当的参数，通过电阻限幅后的波形与频谱如下图所示：

（限幅后晶振时钟高次谐波频谱）           （限幅后晶振时钟信号波形）   

  无源晶振输出时钟信号波形越接近正弦波，高次谐波就越少，实际电路应用中没有理想的正弦波，晶振输出时钟信号是存在高次谐波。

02、有源晶振EMC问题分析调试与设计

有源晶振电路设计通常如下图所示，C7、L7组成LC滤波器，目的滤除有源晶振供电电源引脚耦合的时钟噪声；L8、C8组成LC滤波器，目的滤除有源晶振输出时钟的高次谐波噪声，考虑到磁珠会产生过冲，有源晶振输出时钟信号的滤波器采用RCL滤波电路

对于有源晶振的波形可以通过示波器量测是否存在过冲、振铃、信号幅度设置是否过大等情况，有源晶振波形如下图所示：

有源晶振的频谱可以通过频谱分析仪测量，根据方波的特性必然存在丰富的高次谐波，在不影响有用时钟信号质量的前提下，可以增加低通滤波器滤除高次谐波噪声干扰，有源晶振输出时钟信号频谱如下图所示：

03、关于晶振PCB Layout设计要点说明

关于有源晶振PCB Layout的注意事项，是将有源晶振供电电源滤波器件，靠近有源晶振供电电源引脚放置，输出时钟信号滤波器件也同样靠近晶振时钟引脚。

PCB Layout的注意事项主要有：

一是、时钟信号两侧需要包地，或者采用邻层完整的平面做参考。

二是、时钟信号需要做阻抗控制。

三是、时钟信号的回流参考平面保持完整，避免跨分割。

四是、有源晶振本体靠近芯片引脚，缩短时钟信号布线长度。