遙遙領先康納溫菲爾德OCXO布局指南

本應用說明中包含的技術將有助于確保使用恒溫控制的晶體振蕩器（OCXO）成功的印刷電路板布局。布局問題會導致有噪聲和失真的頻率傳輸，容易出錯的數字通信，閉鎖問題，顯著降低頻率穩定性，OCXO晶振內的熱不穩定性，以及其他不希望的系統行為。包含以下內容：

1.電源和接地電路設計技巧

2.操作/特性理論

3.使用多層板實現最佳熱條件的技術

4.設計清單

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本文介紹的方法應視為建議 為PCB的設計和布局提供一個良好的起點。應該注意的是 一個設計規則不一定適合所有的設計。強烈建議 制造原型印刷電路板以測試設計。

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電源和接地考慮

1，電源和接地，

所有系統設計都有電源，并且 所有部件共用的接地電路 在黑板上。一個組件的操作可以 影響共享的其他組件的操作 相同的電源和接地電路。

2，電源，

系統電源的目標是維持 特定范圍內的穩定電壓，同時 提供足夠的電流。雖然理想的權力 電源將保持相同的電壓 可能的電流消耗，真實世界的系統表現出 以下行為：由一個設備引起的電流及其相關噪聲的變化會影響連接到同一電源網的其他設備，電流消耗的變化會影響電網的電壓。

3，典型的電源系統

石英晶體振蕩器典型的電源電路包括以下:

電壓調節器，保持電壓穩定在一個要求的范圍內，同時為所有被服務的組件提供足夠的電流

散裝、解耦和旁路電容器

電源電路流道或電源平面

每個電源敏感部件上的局部解耦和旁路電容器。

4，電源管理

不適當的電壓調節可能導致許多系統部件不穩定或整個系統故障。

電力不足的時期通常被稱為“停電”，即電源電壓下降到一個不足的水平，或“停電”，即電源電壓完全消失一段時間。

為了使OCXO有源晶振在初始通電時正常通電和配置，Vcc必須超過最大通電復位（VPOR）電壓，以便設備繼續進行配置和初始化。VCC電壓是內部監控在通電，以正確觸發設備配置電路。

在隨后的設備沒有電源循環的停電條件下（即，電源電壓不降至0v），Vcc電壓必須降至最小VPOR電壓以下，以清除設備配置內容。隨后，電壓必須再次超過VPOR電壓，以便設備用新的配置編程。

棕色輸出條件是由Vcc導軌低于數據表中由VRAM定義的其各自的數據保留電壓來定義的。

最小和最大VPOR電壓和數據保留電壓請參考OCXO數據表。

通過使用外部低電壓檢測器邏輯和電源管理電路，防止在電源電壓不足期間的系統故障。

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5，由/bor操作

當設備從Vss級別啟動時，將發生開機復位。當先前供電的設備降到指定范圍以下時，就會出現故障。

設備的RAM保持電壓（VRAM）低于VPOR/VBOR電壓跳閘點。當VPRO/ VBOR < Vcc < 2.7V時，OCXO的電氣性能將不符合數據表的規格。

6，通電復位。

當設備通電時，設備Vcc將通過VPOR/VBOR電壓。一旦Vcc電壓超過VPOR/VBOR電壓，將發生以下情況：

揮發性寄存器用相應的非揮發性寄存器的值加載。

TCONF寄存器將加載工廠編程。

該設備能夠進行數字/模擬操作。

電力和地面考慮繼續

7，BrownOut重置

當設備斷電時，設備Vcc將通過VPOR / VBOR電壓。一旦Vcc電壓降至VPOR / VBOR電壓以下，將發生以下情況：

工廠串行編程接口。

非揮發性寄存器不再可編程。

石英晶體振蕩器如果VCC電壓低于VRAM電壓，則發生以下情況：

揮發性寄存器可能會損壞。

•TCONF寄存器可能已損壞。

•OCXO石英晶振型爐芯可能失去熱平衡。

•OCXO的頻率穩定性可能不符合數據表的規格要求。

當電壓恢復到VPOR / VBOR電壓以上時，請參見“通電復位”部分

在隨后的停電條件下，設備沒有正常的電源循環（即，電源電壓不降至0V），電源電壓必須降至1.6V以下，以清除EEPROM設備的配置內容

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8，電壓調節器

電壓調節器從外部電源獲取輸入電壓，并將其降到適當的電壓水平，可以為電路板上的組件供電。兩種常見的調壓器類型是直流-直流轉換器和低輟學調壓器（LDO）。在決定使用電壓調節器時，請始終檢查調節器數據表，以匹配組件規格和系統要求。

當集成電路的數字邏輯門從一種狀態切換到另一種狀態時，集成電路的電流輸出以一個由邏輯狀態轉換速率或“上升時間”決定的頻率波動。這些電流振蕩導致電源電壓波動，一個小電壓在網絡由于其固有阻抗。電路的阻抗可以通過仔細選擇一個電容器，提供一個低阻抗路徑接地高頻。當電容器充電或放電時，電流流過它，而電流本身則受到電容器內部電阻的限制。這種內阻稱為電容電抗，以歐姆為單位表示為XC。不像有固定值的電阻，如100Ω，1kΩ等。電容性電抗隨頻率而變化，因此任何頻率的變化都會對電容器產生影響。通過將電容器放置在設備的電源銷和接地銷附近，從電源銷到脫鉤電容器接地的回路應盡可能小。

9，低退出調節器。

低輟學調節器（LDOs）的效率低于直流-直流轉換器，但它們也引入了明顯更少的噪聲到電力電路。

10.電源設備的批量解耦和旁路。

噪聲可以從電壓調壓器、連接到網絡的集成電路以及耦合到電源軌跡和平面上的電磁噪聲引入到電源電路中。電源“體積”解耦電容器有助于最小化噪聲的影響，并為電路提供其他好處。大值體積電容器通過提供臨時電荷源來提高供電電流在低頻波動時的性能。許多調壓器通過使用負反饋回路拓撲來維持其電壓，這在某些頻率下可能變得不穩定。放置在調節器輸出處的電容器可以防止電壓供應變得不穩定。檢查調節器的制造商數據表是否推薦的電容規格。散裝解耦電容器應盡可能靠近調壓器的輸出引腳。

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11，接地電路

接地電路會給嵌入式系統引入噪聲并影響元件。一個理想的接地電路是“等電位”，這意味著電路的電壓不會隨電流的變化而變化。實際接地電路具有特征阻抗，且電壓隨電流的變化而變化。仔細的PCB設計可以將這種非理想的行為最小化，以創建一個接地電路，為電流提供一個低阻抗的返回路徑。

12，用地平面進行設計

雖然一些系統通過電線或痕跡將組件連接到接地電路上，但大多數設計使用一個接地平面，其中PCB的組件將其接地引腳連接到一個共同的導電平面上。我們強烈建議使用地平面進行設計，原因有二：

1).在并聯配置中共用接地時，一個設備的回電流噪聲對其他組件的影響較小。

2).與接地的短連接使電流最小化返回路徑電感，從而引起地面上較大的電壓波動。

13，地面平面填充

一個地平面應該盡可能多地覆蓋電路板，即使是在設備和痕跡之間的空間中。

在痕跡或裝置之間形成的銅“島”應始終與地面相連，不得保持漂浮。傳播地平面也有助于噪聲消散和屏蔽痕跡。

注意：必須注意將OCXO恒溫晶振與底層功率和地面平面進行熱隔離，以確保OCXO能夠達到熱平衡。將模擬電流返回路徑與噪聲的數字電流返回路徑分開可以改善模擬測量。地面隔離也可以提高連接到工業的或有噪聲的系統的電路板的性能。單獨的地平面應只連接在一個位置，通常是在電源附近。將OCXO與底層功率和地面平面進行熱隔離，以確保OCXO能夠達到熱平衡。

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14，OCXO操作理論

OCXO將一個晶體封裝在一個叫做烤箱的溫度控制室中。頻率穩定是通過保持振蕩器烤箱內晶體的嚴格溫度控制來實現的。必須注意，不要讓燈芯熱能遠離OCXO石英晶體振蕩器，阻止核心達到熱平衡。

當OCXO被打開時，它會經歷一個“預熱”期，而內部烤箱中晶體的溫度穩定在明顯高于環境溫度。

在“預熱”期間，在達到正常工作溫度之前，晶體振蕩器的性能將不會達到規定的頻率穩定性。在烤箱“橋接”后，烤箱內的溫度隨著環境的變化而保持不變。

恒溫控制器的操作方式，如果恒溫的內部溫度由于環境溫度下降而下降，恒溫控制器將提供更多的功率來補償熱損失。同樣地，環境溫度的升高導致進入烤箱的施加功率減少，而補償溫度降低。

在大多數現代設計中，額外的熱量被認為是一個問題，并會導致大多數設備的性能下降或最終失效。在OCXO烘爐芯內產生的熱量用于保持晶體的恒定溫度。

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典型的熱性能特性

測試條件：除非另有說明，OCXO晶振安裝在插座中，VCC=溫度3.3V，溫度=@25°C。下圖代表了一個DOC052F-010.0MHz OCXO的典型特征

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第3節：操作/特性理論（續）
典型熱性能特征