遥遥领先康纳温菲尔德OCXO布局指南

本应用说明中包含的技术将有助于确保使用恒温控制的晶体振荡器（OCXO）成功的印刷电路板布局。布局问题会导致有噪声和失真的频率传输，容易出错的数字通信，闭锁问题，显著降低频率稳定性，OCXO晶振内的热不稳定性，以及其他不希望的系统行为。包含以下内容：

1.电源和接地电路设计技巧

2.操作/特性理论

3.使用多层板实现最佳热条件的技术

4.设计清单

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本文介绍的方法应视为建议 为PCB的设计和布局提供一个良好的起点。应该注意的是 一个设计规则不一定适合所有的设计。强烈建议 制造原型印刷电路板以测试设计。

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电源和接地考虑

1，电源和接地，

所有系统设计都有电源，并且 所有部件共用的接地电路 在黑板上。一个组件的操作可以 影响共享的其他组件的操作 相同的电源和接地电路。

2，电源，

系统电源的目标是维持 特定范围内的稳定电压，同时 提供足够的电流。虽然理想的权力 电源将保持相同的电压 可能的电流消耗，真实世界的系统表现出 以下行为：由一个设备引起的电流及其相关噪声的变化会影响连接到同一电源网的其他设备，电流消耗的变化会影响电网的电压。

3，典型的电源系统

石英晶体振荡器典型的电源电路包括以下:

电压调节器，保持电压稳定在一个要求的范围内，同时为所有被服务的组件提供足够的电流

散装、解耦和旁路电容器

电源电路流道或电源平面

每个电源敏感部件上的局部解耦和旁路电容器。

4，电源管理

不适当的电压调节可能导致许多系统部件不稳定或整个系统故障。

电力不足的时期通常被称为“停电”，即电源电压下降到一个不足的水平，或“停电”，即电源电压完全消失一段时间。

为了使OCXO有源晶振在初始通电时正常通电和配置，Vcc必须超过最大通电复位（VPOR）电压，以便设备继续进行配置和初始化。VCC电压是内部监控在通电，以正确触发设备配置电路。

在随后的设备没有电源循环的停电条件下（即，电源电压不降至0v），Vcc电压必须降至最小VPOR电压以下，以清除设备配置内容。随后，电压必须再次超过VPOR电压，以便设备用新的配置编程。

棕色输出条件是由Vcc导轨低于数据表中由VRAM定义的其各自的数据保留电压来定义的。

最小和最大VPOR电压和数据保留电压请参考OCXO数据表。

通过使用外部低电压检测器逻辑和电源管理电路，防止在电源电压不足期间的系统故障。

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5，由/bor操作

当设备从Vss级别启动时，将发生开机复位。当先前供电的设备降到指定范围以下时，就会出现故障。

设备的RAM保持电压（VRAM）低于VPOR/VBOR电压跳闸点。当VPRO/ VBOR < Vcc < 2.7V时，OCXO的电气性能将不符合数据表的规格。

6，通电复位。

当设备通电时，设备Vcc将通过VPOR/VBOR电压。一旦Vcc电压超过VPOR/VBOR电压，将发生以下情况：

挥发性寄存器用相应的非挥发性寄存器的值加载。

TCONF寄存器将加载工厂编程。

该设备能够进行数字/模拟操作。

电力和地面考虑继续

7，BrownOut重置

当设备断电时，设备Vcc将通过VPOR / VBOR电压。一旦Vcc电压降至VPOR / VBOR电压以下，将发生以下情况：

工厂串行编程接口。

非挥发性寄存器不再可编程。

石英晶体振荡器如果VCC电压低于VRAM电压，则发生以下情况：

挥发性寄存器可能会损坏。

•TCONF寄存器可能已损坏。

•OCXO石英晶振型炉芯可能失去热平衡。

•OCXO的频率稳定性可能不符合数据表的规格要求。

当电压恢复到VPOR / VBOR电压以上时，请参见“通电复位”部分

在随后的停电条件下，设备没有正常的电源循环（即，电源电压不降至0V），电源电压必须降至1.6V以下，以清除EEPROM设备的配置内容

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8，电压调节器

电压调节器从外部电源获取输入电压，并将其降到适当的电压水平，可以为电路板上的组件供电。两种常见的调压器类型是直流-直流转换器和低辍学调压器（LDO）。在决定使用电压调节器时，请始终检查调节器数据表，以匹配组件规格和系统要求。

当集成电路的数字逻辑门从一种状态切换到另一种状态时，集成电路的电流输出以一个由逻辑状态转换速率或“上升时间”决定的频率波动。这些电流振荡导致电源电压波动，一个小电压在网络由于其固有阻抗。电路的阻抗可以通过仔细选择一个电容器，提供一个低阻抗路径接地高频。当电容器充电或放电时，电流流过它，而电流本身则受到电容器内部电阻的限制。这种内阻称为电容电抗，以欧姆为单位表示为XC。不像有固定值的电阻，如100Ω，1kΩ等。电容性电抗随频率而变化，因此任何频率的变化都会对电容器产生影响。通过将电容器放置在设备的电源销和接地销附近，从电源销到脱钩电容器接地的回路应尽可能小。

9，低退出调节器。

低辍学调节器（LDOs）的效率低于直流-直流转换器，但它们也引入了明显更少的噪声到电力电路。

10.电源设备的批量解耦和旁路。

噪声可以从电压调压器、连接到网络的集成电路以及耦合到电源轨迹和平面上的电磁噪声引入到电源电路中。电源“体积”解耦电容器有助于最小化噪声的影响，并为电路提供其他好处。大值体积电容器通过提供临时电荷源来提高供电电流在低频波动时的性能。许多调压器通过使用负反馈回路拓扑来维持其电压，这在某些频率下可能变得不稳定。放置在调节器输出处的电容器可以防止电压供应变得不稳定。检查调节器的制造商数据表是否推荐的电容规格。散装解耦电容器应尽可能靠近调压器的输出引脚。

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11，接地电路

接地电路会给嵌入式系统引入噪声并影响元件。一个理想的接地电路是“等电位”，这意味着电路的电压不会随电流的变化而变化。实际接地电路具有特征阻抗，且电压随电流的变化而变化。仔细的PCB设计可以将这种非理想的行为最小化，以创建一个接地电路，为电流提供一个低阻抗的返回路径。

12，用地平面进行设计

虽然一些系统通过电线或痕迹将组件连接到接地电路上，但大多数设计使用一个接地平面，其中PCB的组件将其接地引脚连接到一个共同的导电平面上。我们强烈建议使用地平面进行设计，原因有二：

1).在并联配置中共用接地时，一个设备的回电流噪声对其他组件的影响较小。

2).与接地的短连接使电流最小化返回路径电感，从而引起地面上较大的电压波动。

13，地面平面填充

一个地平面应该尽可能多地覆盖电路板，即使是在设备和痕迹之间的空间中。

在痕迹或装置之间形成的铜“岛”应始终与地面相连，不得保持漂浮。传播地平面也有助于噪声消散和屏蔽痕迹。

注意：必须注意将OCXO恒温晶振与底层功率和地面平面进行热隔离，以确保OCXO能够达到热平衡。将模拟电流返回路径与噪声的数字电流返回路径分开可以改善模拟测量。地面隔离也可以提高连接到工业的或有噪声的系统的电路板的性能。单独的地平面应只连接在一个位置，通常是在电源附近。将OCXO与底层功率和地面平面进行热隔离，以确保OCXO能够达到热平衡。

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14，OCXO操作理论

OCXO将一个晶体封装在一个叫做烤箱的温度控制室中。频率稳定是通过保持振荡器烤箱内晶体的严格温度控制来实现的。必须注意，不要让灯芯热能远离OCXO石英晶体振荡器，阻止核心达到热平衡。

当OCXO被打开时，它会经历一个“预热”期，而内部烤箱中晶体的温度稳定在明显高于环境温度。

在“预热”期间，在达到正常工作温度之前，晶体振荡器的性能将不会达到规定的频率稳定性。在烤箱“桥接”后，烤箱内的温度随着环境的变化而保持不变。

恒温控制器的操作方式，如果恒温的内部温度由于环境温度下降而下降，恒温控制器将提供更多的功率来补偿热损失。同样地，环境温度的升高导致进入烤箱的施加功率减少，而补偿温度降低。

在大多数现代设计中，额外的热量被认为是一个问题，并会导致大多数设备的性能下降或最终失效。在OCXO烘炉芯内产生的热量用于保持晶体的恒定温度。

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典型的热性能特性

测试条件：除非另有说明，OCXO晶振安装在插座中，VCC=温度3.3V，温度=@25°C。下图代表了一个DOC052F-010.0MHz OCXO的典型特征

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第3节：操作/特性理论（续）
典型热性能特征