Empfehlungen für konkurrierende PCB-Crystal-Layouts

Dies hängt mit folgender Frage zusammen: Wie ist mein Kristalloszillatorlayout?

Ich versuche, einen 12-MHz-Quarz für einen Mikrocontroller zu entwerfen. Ich habe einige Empfehlungen speziell für Kristalle sowie für das Hochfrequenzdesign durchgelesen.

Zum größten Teil scheinen sie sich über ein paar Dinge einig zu sein:

1. Halten Sie die Spuren so kurz wie möglich.
2. Halten Sie differentielle Leiterbahnpaare so nahe wie möglich an der gleichen Länge.
3. Isoliere den Kristall von allem anderen.
4. Verwenden Sie Grundflächen unter dem Kristall.
5. Vermeiden Sie Durchkontaktierungen für Signalleitungen.
6. Vermeiden Sie rechtwinklige Biegungen auf Spuren

Hier ist das Layout von dem, was ich derzeit für meinen Kristall habe:

Das Rot steht für das Kupfer der oberen Leiterplatte und das Blau für die untere Leiterplattenschicht (zweischichtiges Design). Das Raster beträgt 0,25 mm. Unter dem Kristall befindet sich eine vollständige Masseebene (blaue Schicht). Um den Kristall herum befindet sich eine Masse, die über mehrere Durchkontaktierungen mit der unteren Masseebene verbunden ist. Der Trace, der an den Pin neben den Clock-Pins angeschlossen ist, dient zum externen Zurücksetzen des uC. Sie sollte bei ~ 5 V gehalten werden und ein Reset wird ausgelöst, wenn ein Masseschluss vorliegt.

Ich hatte noch ein paar Fragen:

1. Ich habe ein paar empfohlene Layouts gesehen, in denen die Lastkondensatoren näher am IC platziert sind, und andere, in denen sie auf der anderen Seite platziert sind. Welche Unterschiede kann ich zwischen den beiden erwarten und welche wird empfohlen (falls vorhanden)?
2. Sollte ich die Grundplatte direkt unter den Signalspuren entfernen? Dies scheint der beste Weg zu sein, um die parasitäre Kapazität auf den Signalleitungen zu reduzieren.
3. Würden Sie dickere oder dünnere Spuren empfehlen? Zur Zeit habe ich 10mil Spuren.
4. Wann sollte ich die beiden Taktsignale zusammenbringen? Ich habe Empfehlungen gesehen, bei denen die beiden Zeilen im Wesentlichen aufeinander ausgerichtet sind, bevor sie in die USA gehen, und bei denen sie auseinandergehalten und langsam zusammengeführt werden, wie ich es derzeit tue.

Ist das ein gutes Layout? Wie könnte es verbessert werden?

Bisher durchgelesene Quellen (hoffentlich decken sie die meisten ab, es fehlen mir möglicherweise einige):

1. TIs Empfehlungen für Richtlinien für Hochgeschwindigkeitslayouts
2. Überlegungen zum AVR-Hardwaredesign von Atmel
3. Atmels Best Practices für das PCB-Layout von Oszillatoren

bearbeiten:

Vielen Dank für Ihre Anregungen. Ich habe die folgenden Änderungen an meinem Layout vorgenommen:

1. Die unterste Schicht unter dem uC wird als 5-V-Stromversorgungsebene und die oberste Schicht als lokale Masseebene verwendet. Die Erdungsebene hat eine einzige Durchkontaktierung zur globalen Erdungsebene (unterste Ebene), in der die 5 V mit der Quelle verbunden sind, und zwischen beiden befindet sich ein 4,7 uF Keramikkondensator. Routing Ground und Power viel einfacher gemacht!
2. Ich habe die obersten Masseelemente direkt unter dem Kristall entfernt, um einen Kurzschluss des Kristallgehäuses zu vermeiden.
3. @RussellMcMahon, ich bin mir nicht sicher, was genau Sie unter Minimieren der Loop-Fläche verstehen. Ich habe ein überarbeitetes Layout hochgeladen, in dem ich die Kristallleiter zusammenführe, bevor ich sie an das UC sende. Ist es das was du meintest?
4. Ich bin mir nicht ganz sicher, wie ich meine Schutzringschlaufe um den Kristall legen kann (im Moment ist es eine Art Hakenform). Sollte ich zwei Durchkontaktierungen verwenden, um die Enden (von der globalen Masse isoliert) zu verbinden, den Teilring zu entfernen oder ihn einfach so zu lassen, wie er ist?
5. Sollte ich den globalen Boden unter dem Kristall / der Kappe entfernen?

Ihre Platzierung ist in Ordnung.

Ihr Routing der Quarzsignalspuren ist in Ordnung.

Deine Erdung ist schlecht. Glücklicherweise erleichtert eine bessere Vorgehensweise das PCB-Design. Es wird einen signifikanten Hochfrequenzgehalt in den Mikrocontroller-Rückströmen und den Strömen durch die Kristallkappen geben. Diese sollten lokal enthalten sein und dürfen NICHT über die Hauptgrundebene fließen. Wenn Sie das nicht vermeiden, haben Sie keine Grundplatte mehr, sondern eine Patch-Antenne mit Mittelspeisung.

Binden Sie den gesamten Boden, der unmittelbar mit dem Mikro verbunden ist, auf der obersten Schicht zusammen. Dies schließt die Erdungsstifte des Mikros und die Erdungsseite der Kristallkappen ein. Verbinden Sie dann dieses Netz an nur einer Stelle mit der Haupterdungsebene . Auf diese Weise bleiben die durch das Mikro und den Kristall verursachten hochfrequenten Schleifenströme im lokalen Netz. Der einzige Strom, der durch die Verbindung zur Hauptmasseebene fließt, sind die Rückströme, die der Rest der Schaltung sieht.

Platzieren Sie die beiden einzelnen Einspeisepunkte für zusätzliches Guthaben, also etwas Ähnliches mit dem Stromnetz des Mikrofons, nebeneinander und setzen Sie dann eine Keramikkappe von etwa 10 µF direkt zwischen die beiden unmittelbar auf die Mikroseite der Einspeisepunkte. Die Kappe wird zu einem Shunt der zweiten Stufe für die Hochfrequenzleistung gegen Erdströme, die vom Mikroschaltkreis erzeugt werden, und die Nähe der Einspeisungspunkte verringert den Pegel des Patch-Antennenantriebs für alles, was Ihrer anderen Verteidigung entgeht.

Weitere Informationen finden Sie unter https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

Als Reaktion auf Ihr neues Layout hinzugefügt:

Dies ist definitiv insofern besser, als die hochfrequenten Schleifenströme von der Hauptmasseebene gehalten werden. Das sollte die Gesamtstrahlung von der Platine reduzieren. Da alle Antennen symmetrisch als Empfänger und Sender arbeiten, verringert sich auch Ihre Anfälligkeit für externe Signale.

Ich sehe nicht die Notwendigkeit, die Grundspur von den Kristallkappen zurück zum Mikro so fett zu machen. Es schadet wenig, ist aber nicht notwendig. Die Strömungen sind ziemlich klein, so dass selbst eine Spur von nur 8 mil in Ordnung ist.

Ich sehe wirklich keinen Grund dafür, dass die absichtliche Antenne von den Kristallkappen herunterkommt und sich um den Kristall wickelt. Ihre Signale liegen weit darunter, wo sie zu schwingen beginnen. Es ist jedoch keine gute Idee, kostenlose Antennen hinzuzufügen, wenn keine HF-Übertragung oder kein HF-Empfang beabsichtigt ist. Sie versuchen anscheinend, einen "Schutzring" um den Kristall zu legen, haben aber keinen Grund angegeben, warum. Es gibt keinen Grund, Schutzringe zu benötigen, es sei denn, Sie haben in der Nähe ein sehr hohes dV / dt und schlecht hergestellte Kristalle.

Sehen Sie sich Atmels Application Note AVR186 "Best Practices für das PCB-Layout von Oszillatoren" unter http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8128-Best-Practices-for-the-PCB- an. Layout-of-Oscillators_ApplicationNote_AVR186.pdf

Platzieren Sie die Ladekappen neben dem IC. zwischen dem IC und dem Kristall. Halten Sie die XTALI- und XTALO-Leiterbahnen kurz, aber minimieren Sie ihre kapazitive Kopplung, indem Sie die Leiterbahnen so weit wie möglich voneinander entfernt halten. Wenn Sie die Leiterbahnen länger als einen halben Zoll machen müssen, legen Sie einen Erdungsdraht zwischen die Leiterbahnen, um die Querkapazität zu beseitigen. Umrunden Sie die Spuren allseitig mit Erdreich und legen Sie eine Erdebene unter das Ganze.

Halten Sie die Spuren kurz.