Recomendaciones de diseño de PCB Crystal de la competencia

Question

Esto está relacionado con esta pregunta: ¿Cómo es el diseño de mi oscilador de cristal?

Estoy tratando de diseñar un cristal de 12MHz para un micro controlador. He estado leyendo varias recomendaciones específicas para cristales, así como para el diseño de alta frecuencia.

En su mayor parte, parecen estar de acuerdo en algunas cosas:

1. Mantenga los rastros tan cortos como sea posible.
2. Mantenga los pares de trazos diferenciales tan cerca de la misma longitud como sea posible.
3. Aísla el cristal de cualquier otra cosa.
4. Utilice planos de tierra debajo del cristal.
5. Evite las vías para las líneas de señal.
6. Evite las curvas en ángulo recto en los trazados

Aquí está la disposición de lo que actualmente tengo para mi cristal:

El rojo representa el cobre superior de la PCB y el azul es la capa inferior de la PCB (es un diseño de 2 capas). La rejilla es de 0,25 mm. Hay un plano de tierra completo debajo del cristal (capa azul), y rodeando el cristal hay una tierra atada al plano de tierra inferior usando varias vías. La traza que se conecta al pin junto a los pines del reloj es para el reset externo del uC. Debe mantenerse a ~5V, y el reset se activa cuando se pone en cortocircuito a tierra.

Todavía tengo algunas preguntas:

1. He visto algunas disposiciones recomendadas que colocan los condensadores de carga más cerca del CI y otras que los colocan en el lado más alejado. ¿Qué diferencias puedo esperar entre ambas y cuál es la recomendada (si es que hay alguna)?
2. ¿Debería quitar el plano de tierra de debajo de las trazas de señal? Parece que esa sería la mejor manera de reducir la capacitancia parásita en las líneas de señal.
3. ¿Recomendarías trazos más gruesos o más finos? Actualmente tengo trazas de 10 milímetros.
4. ¿Cuándo debo juntar las dos señales de reloj? He visto recomendaciones en las que las dos líneas se dirigen esencialmente la una hacia la otra antes de dirigirse al uC, y otras en las que se mantienen separadas y se juntan lentamente como tengo actualmente.

¿Esta es una buena disposición? ¿Cómo se podría mejorar?

Fuentes que he leído hasta ahora (espero que esto cubra la mayoría, puede que me falten algunas):

1. Recomendaciones de TI para las directrices de diseño de alta velocidad
2. Consideraciones sobre el diseño del hardware del AVR de Atmel
3. Las mejores prácticas de Atmel para el diseño de PCB de los osciladores

editar:

Gracias por sus sugerencias. He hecho los siguientes cambios en mi diseño:

1. La capa inferior debajo del uC se utiliza como plano de alimentación de 5V y la capa superior es un plano de tierra local. El plano de tierra tiene una única vía hacia el plano de tierra global (capa inferior) donde los 5V se unen a la fuente, y hay un condensador cerámico de 4,7uF entre los dos. El enrutamiento de la tierra y la energía es mucho más fácil.
2. He quitado los elementos de tierra superiores directamente debajo del cristal para evitar un cortocircuito en la carcasa del cristal.
3. @RussellMcMahon, no estoy seguro de a qué te refieres exactamente con minimizar el área del bucle. He subido un diseño revisado en el que junto los cables del cristal antes de enviarlos al uC. ¿Es esto lo que quieres decir?
4. No estoy del todo seguro de cómo puedo completar el bucle de mi anillo de guardia alrededor del cristal (ahora mismo tiene una especie de forma de gancho). ¿Debería pasar dos vías para conectar los extremos (aislados de la tierra global), eliminar el anillo parcial, o simplemente dejarlo como está?
5. ¿Debo quitar la tierra global de debajo del cristal/tapa?

Answer 1

Su colocación está bien.

El enrutamiento de las trazas de la señal del cristal está bien.

Tu conexión a tierra es mala. Afortunadamente, hacerlo mejor facilita el diseño de tu PCB. Habrá un contenido significativo de alta frecuencia en las corrientes de retorno del microcontrolador y las corrientes a través de las tapas de cristal. Estas deben ser contenidas localmente y NO permitir que fluyan a través del plano de tierra principal. Si no evitas eso, ya no tienes un plano de tierra sino una antena de parche alimentada por el centro.

Ate todo el terreno inmediatamente asociado al micro en la capa superior. Esto incluye los pines de tierra del micro y el lado de tierra de las tapas de cristal. A continuación, conecte esta red al plano de tierra principal en un solo lugar . De este modo, las corrientes de bucle de alta frecuencia provocadas por el micro y el cristal permanecen en la red local. La única corriente que fluye a través de la conexión al plano principal de tierra son las corrientes de retorno que ve el resto del circuito.

Para obtener un crédito extra, haz algo similar con la red de alimentación del micro, coloca los dos puntos de alimentación simples cerca el uno del otro, luego pon un tapón cerámico de 10 µF o más justo entre los dos inmediatamente en el lado del micro de los puntos de alimentación. El tapón se convierte en una derivación de segundo nivel para las corrientes de potencia a tierra de alta frecuencia producidas por el circuito del micro, y la cercanía de los puntos de alimentación reduce el nivel de conducción de la antena de parche de lo que se escape de sus otras defensas.

Para más detalles, consulte https://electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

Añadido en respuesta a su nuevo diseño:

Esto es definitivamente mejor, ya que las corrientes de bucle de alta frecuencia se mantienen fuera del plano de tierra principal. Esto debería reducir la radiación general de la placa. Como todas las antenas funcionan simétricamente como receptores y transmisores, eso también reduce su susceptibilidad a las señales externas.

No veo la necesidad de hacer la traza de tierra desde las tapas de cristal hasta el micro tan gorda. No hay mucho daño en ello, pero no es necesario. Las corrientes son bastante pequeñas, así que incluso una traza de 8 mil estará bien.

Realmente no le veo el sentido a la antena deliberada que baja de las tapas de los cristales y envuelve el cristal. Tus señales están muy por debajo de donde empezarán a resonar, pero añadir antenas gratuitas cuando no se pretende transmitir o recibir RF no es una buena idea. Aparentemente estás tratando de poner un "anillo de protección" alrededor del cristal, pero no diste ninguna justificación de por qué. A no ser que tengas un dV/dt cercano muy alto y cristales mal hechos, no hay razón para que necesiten tener anillos de protección.

Answer 2

Consulte la nota de aplicación AVR186 de Atmel, "Best Practices for the PCB layout of Oscillators" en http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-8128-Best-Practices-for-the-PCB-Layout-of-Oscillators_ApplicationNote_AVR186.pdf

Coloca los tapones de carga junto al CI; entre el CI y el cristal. Mantenga las trazas de XTALI, XTALO cortas pero minimice su acoplamiento capacitivo manteniendo las trazas lo más alejadas posible entre sí. Si necesitas hacer las trazas más largas de media pulgada, pon un cable de tierra entre ellas para eliminar la capacitancia cruzada. Rodea las trazas con tierra en todos los lados y pon un plano de tierra debajo de todo el conjunto.

Mantenga los rastros cortos.