晶振概述 晶振一般指晶体振荡器。晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振； 而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 晶振工作原理 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。 在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。 计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。 晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15皮或12.5皮，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22皮的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
高精度运算放大器可用于配置分流电阻电流传感器。使用高精度运算放大器，特别是ABLIC的零漂移放大器，可以在整个温度和工作电压范围内实现高精度电流传感器。但是您是否遇到过运算放大器振荡、未能达到检测精度的设计目标或无法降低外部噪声影响等设计问题? 本文介绍了使用高精度运算放大器设计低侧或高侧分流电阻电流传感器的一个易于遵循的示例。 目录表 1.电流传感器的类型和特性以及为什么要使用分流电阻电流传感器 2.分流电阻电流传感器需要什么类型的运算放大器(信号放大器电路)? 3.高精度运算放大器的类型和零漂移放大器的优点 4.解决您的设计问题! 5.ABLIC的开发支持服务与客户的设计努力相吻合 6.ABLIC推荐的零漂移放大器 1. 电流传感器的类型和特性以及为什么要使用分流电阻电流传感器 ●电流传感器的类型和特性 电流传感器用来测量流过电路的电流。 电流传感器有多种类型(分流电阻，磁性等)如下图所示，所需传感器的类型取决于其要用于的电流区域。 因此，了解不同的传感器类型并为应用使用正确的电流传感器至关重要。 ●为什么使用分流电阻电流传感器?分流电阻电流传感器的低成本和高精度电流检测使其成为上述三种电流传感器中最常用的一种。因此，它被广泛用于汽车和工业设备中的电池电流监测等应用，这些应用需要高精度检测到几十安培或更低，以及电磁阀操作液压执行器的电流控制应用。 2. 分流电阻电流传感器需要什么类型的运算放大器(信号放大器电路)? 分流电阻电流传感器由分流电阻和放大器(信号放大电路)组成，用于放大传感器中的压降。 由于几十安培流过分流电阻就足以引起功率损失和发热问题，因此使用了具有低电阻的分流电阻。由于在分流电阻中发生的电压降是微小的，这需要一个能够精确放大微小输入信号的放大器。该放大器采用高精度运算放大器。 使用1mΩ分流电阻检测10A电流，精度为±1% 3.高精度运算放大器的类型和零漂移放大器的优点 输入偏置电压随输入信号放大。因此，具有低输入偏置电压和低温度漂移的高精度运算放大器广泛用于电流传感器和其他需要高精度放大微小信号的应用。 ●高精度运算放大器的种类 根据输入偏置电压的校正方式，高精度运算放大器分为两种。 1.零漂移的普通高精度运算放大器这是一种不自动校正输入偏置电压的运算放大器。每个运算放大器在出厂前都经过修整，以尽量减少输入偏置电压。 2.零漂移放大器这种类型的运算放大器可以自动校正输入偏置电压。这个运算放大器集成了一个电路，在工作期间自动最小化输入失调电压。 ●零漂移放大器的优点输入偏置电压如何校正的差异反映在输出电压特性上。零漂移放大器自动校正输入偏置电压，并将在任何时候最小化输入偏置电压，而不受环境温度或运放共模输入电压波动的影响。 ABLIC提供全系列的通用和汽车用零漂移运算放大器产品。 3.解决您的设计问题! 介绍了一种采用零漂移放大器构成的并联电阻电流传感器的设计实例 下面描述了一个使用S-19630A零漂移放大器配置的分流电阻电流传感器的详细设计示例。 S-19630A是一款零漂移运算放大器，工作范围宽(4.0至36V)，输入失调电压低，最大±50μV。±25nV/°C的低输入偏置电压漂移 使用S-19630A设计电流传感器可以做到以下几点。 ●由于其低输入偏置电压和低输入偏置电压漂移特性，可以设计出非常高精度的电流传感器，其电流检测结果不受温度和电源电压波动的影响。●其广泛的工作范围可以直接连接到5V, 12V或24V系统。●输入轨对轨允许低侧和高侧电流检测。 1. 低侧电流检测设计实例●电流传感器设计规范●设计过程●电流传感器设计结果●线路图 2.高侧电流检测设计实例 ●电流传感器设计规范●设计过程●电流传感器设计结果●线路图 5. ABLIC的开发支持服务与客户的设计努力相吻合 ABLIC的运算放大器产品提供各种服务，以帮助客户克服电路开发的每个步骤中的问题或问题。我们的产品符合所有主要的汽车标准。 ●协助建议电路和设置常量的支持服务ABLIC提供电路设计咨询。为了减少原型的数量、开发时间和开发成本，并优化应用的性价比，我们提出了外设部件和集成电路的最佳组合。 ●电路仿真服务电路设计完成后，运算放大器在器件评估中开始振荡!你遇到过这样的问题吗?ABLIC执行电路仿真服务，以确认运算放大器将在没有振荡的情况下工作 ●提供PSpice模型的服务ABLIC的零漂移放大器产品提供PSpice模型，以减少客户必须开发的原型数量。您可以从下面列出的页面下载模型。我们还提供咨询服务，帮助客户使用PSpice模型分析仿真结果。如果您感兴趣，请随时打电话给我们的销售部。 ●评估板服务ABLIC提供评估板，帮助客户对设备进行评估。而且不仅仅是评估板，还有安装有运算放大器ic和其他外围部件的板。如果您感兴趣，请随时打电话给我们的销售部。 6.ABLIC推荐的零漂移放大器 ABLIC提供广泛的通用和汽车用运算放大器系列。这些运算放大器推荐用于高精度，高耐压和轨对轨电流检测应用。 它们已被我们的客户用于广泛的应用。强烈推荐使用ABLIC零漂移运算放大器。 ●车载运算放大器 ●一般用途运算放大器
在写运放的基本电路之前，首先说明一点，运放的“虚短”和“虚断”适用于深度负反馈的场合，这一点非常重要。 运放的“虚短”和“虚断”不可通过单个运放的同向端和反向端来判断，必须要看整个电路结构。 一.基本电路 1.反向放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： （Vin-V-）/R2=（V--Vout)/R3;V-=0V;得到Vout=-R3/R2; 2.同相放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (0-Vin)/R2=(Vin-Vout)/R3;得到：Vout=(1+R3/R2)*Vin 3.加法电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (V1-0)/R1+(V2-0)/R2=(0-Vout)/R3; 得到：Vout/R3=-(V1/R1+V2/R2) 在R1=R2=R3的情况下：Vout=V1+V2； 4.积分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 0-Vout=C1fidt; i=Vin/R2则Vout=-C1/R2*fVindt;f为积分符号 5.微分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： C1*dVin/dt=-Vout/R2;则Vout=-R2*C1*dVin/dt; 6.差分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 该放大电路的传递函数为： Vout=（R4/(R3+R4)）*（(R1+R2)/R1）*V1-R2/R1*V2; 若R1=R3；R2=R4;则上式可以简化为： Vout=(R2/R1)(V1-V2) 7.检测仪表0-20mA的采样电路 很多控制器接收0-20mA或者4-20mA的电流，电路将此电流信号转换为电压信号，再送到ADC转换为数字信号，上图就是一个典型的这样电路，如果4-20mA的电流通过R1，则会在R1上产生0.4-2V的电压差，由运放“虚断”的特性可知，运放输入端没有电流流过，则流过R2与R3的电流相等；流过R4与R5的电流相等，故有： （V2-Vy）/R4=Vy/R5； （V1-Vx）/R2=（Vx-Vout）/R3； Vx=Vy； V1-V2=0.4——2V； 最后得到Vout=(0.88-4.4)V; 8.将电压转化为电流电路 运放可以将电流信号转换为电压信号，也可以将电压信号转换为电流信号，上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射极反馈的。 根据“虚短”和“虚断”的原理，则有： （Vi-V1）/R1=（V1-V4）/R8; V2/R3=（V3-V2）/R5； V1=V2； 如果R1=R8；R3=R5；则由以上三式可得到： V3-V4=Vi； 则通过RL的电流为Vi/R6;如果负载小于100K，则通过RL与R6 的电流一样大。
图1电路在今天可能吸引力没有那么大了，因为现在有了更先进的放大器，如LTC6268，同时兼顾了低电压噪声和低输入偏置电流。但了解一下也是非常值得的，甚至在一些应用里降成本时没准可以用到，比如色谱仪。
关注回复“加群”，加入硬件电子学习交流群。本期的电路图来自ZLinear的开源数据采集板卡DL8884_RFN，是一个比较常见的电压偏置采集法（电路图已取得作者授权发文）。
PCB布线工作对于很多工程师来讲就是连连看，而且还是一项非常枯燥乏味的工作。这其实只是一个初级的认知，一位优秀的PCB设计工程师还是能做很多工作并能解决很多产品设计中的问题的。本文结合一些大厂的设计规则以及部分的技术文章，将分享一些PCB设计中布线的要点，仅供参考。 1、通用做法 在进行PCB 设计时，为了使高频、高速、模拟电路板的设计更合理，抗干扰性能更好，应从以下几方面考虑： （1）合理选择层数；在 PCB 设计中对高频、高速电路板布线时，利用中间内层平面作为电源和地线层，可以起到屏蔽的作用，能有效降低寄生电感；还可以降低信号间的交叉干扰。 （2）走线方式；走线按照 45°角拐弯或圆弧拐弯，这样可以减小高频、高速信号的反射和相互之间的耦合。 （3）走线长度；没有特殊要求的情况下，走线长度越短越好（有损耗要求的要根据实际情况而定）；相邻布线时，线与线之间并行距离越短越好。 （4）过孔设计以及数量；过孔设计时，要注意尽量使过孔的阻抗与传输线的阻抗相互一致或者尽量一致；同时。过孔数量越少越好，因为过孔很容易引起阻抗不连续。 （5）相邻层间布线方向；层间布线方向应该取垂直方向，就是上一层为水平方向，相邻的层为垂直方向，这样可以减小信号间的干扰。 （6）包地；很多时候，工程师都认为对重要的信号线进行包地处理，可以显著提高该信号的抗干扰 能力，但是一定要注意避免包地引入新的问题，比如是否导致空间变小，或者阻抗发生了变化。当然，还可以对干扰源进行包地处理，使其不能干扰其它信号。高速PCB设计时，保护地线要还是不要，这是个问题？ （7）信号线；信号走线不能环路，减少环路引入噪声。 2、布线优先次序 关键信号线优先：摸拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线 密度优先原则：从单板上连接关系最复杂的器件着手布线。从单板上连线 最密集的区域开始布线 注意点： a、尽量为时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号提供专门的布线层，并保证其最小的回路面积。必要时应采取手工优先布线、屏蔽和加大安全间距等方法。保证信号质量。 b、电源层和地层之间的EMC环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。 c、有阻抗控制要求的网络应尽量按线长线宽要求布线。 3、时钟的布线 时钟线是对EMC 影响最大的因素之一。在时钟线上应少打过孔，尽量避免和其它信号线平行走线，且应远离噪声源或者热源，避免对信号线的干扰。同时应避开板上的电源部分，以防止电源和时钟互相干扰。 如果板上有专门的时钟发生芯片，其下方不可走线，应在其下方铺铜，必要时还可以对其专门割地。对于很多芯片都有参考的晶体振荡器，这些晶振下方也不应走线，要铺铜隔离。 (1)时钟驱动器布局在PCB中心而非电路板外围，布局尽量靠近，走线圆滑、短，非直角、非T形。 (2)避免时钟之间、与信号之间的干扰，避免几种信号平行布线，必要时采用GND屏蔽层包裹隔离，不同时钟或信号之间间距尽量远。 (3) 时钟信号尽量不采用跨界分割平面。 (4) 如果是差分时钟线，一定要注意等长。 (5)时钟晶振: 时钟线先经过负载电容，再到达晶振，周围打孔，GND屏蔽. (6) 同源时钟: 时钟线的并联匹配电阻靠近负载芯片，串联电阻靠近时钟芯片或者CPU。 4、直角走线 直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况，也几乎成为衡量布线好坏的标准之一，那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢？从原理上说，直角走线会使传输线的线宽发生变化，造成阻抗的不连续。 其实不光是直角走线，顿角，锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。 直角走线的对信号的影响主要体现在三个方面： 一是拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间； 二是阻抗不连续会造成信号的反射； 三是直角尖端产生的EMI。 5、差分走线 差分信号在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中绝大多数的信号都采用了差分线结构。 使用差分线是为了抗干扰，从两个角度可以说明它的优点。 第一， 在相同电平幅度的信号中，差分线的峰峰值是单端线的两倍。 第二， 在相同的电路环境中，由于单端走线参考的是地平面，对于外界的干扰，受到的影响和地平面上受到的同一干扰表现差异很大，导致它在走线上的干扰和回流路径中的干扰无法相互抵消（单端走线电压基准为地平面）；而差分线由于是平行等长走线，在相同的电路环境中，两条走线的耦合度很高，在受到同一干扰源时，两天线上的干扰程度接近，而差分线电压基准点为对应的另外一条走线，而不是地平面，对于共模干扰有较好的抑制能力。 差分线想要更高的抗干扰能力，来获得低的误码率，提升传输速率，但他需要比单端线对一条额外的线作为信号的回流线。所以，只有在追求更高的传输速率或者更强的抗干扰能力的设计中才会不惜增加传输线的数量来保证传输的速率和更强的抗干扰能力。 对于PCB工程师来说，在设计差分传输线的时候就要做好差分对内的等长以及阻抗的一致性（等间距）。 等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量；等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。至于平常大家所说的紧耦合还是松耦合，要视情况而定。差分对紧耦合真的比松耦合好吗？ 6、蛇形线 蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节传输线延时，尤其是为了满足传输线的对内或者对间等长，或者是为了满足系统时序的要求而针对性的设计。 7、电源、地线的处理 既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、 地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。 地线和电源线的PCB布线规则如下： 1、在电源、地线之间加上去耦电容。 2、尽量加宽电源线、地线宽度，最好使地线比电源线宽。 3、在高速数字电路的PCB中使用宽的地线组成一个回路，最好有一个完整的地平面来参考。模拟电路的地不能这样使用。 4、用大面积铜层作地线，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板，电源和地线各占用一层。 5、对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层的回路面积增大。 地线回路规则： 地线环路尽量小，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰的噪声也越小。 去耦电容规则： A. 在PCB上增加必要的去耦电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号稳定。去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚至关系到设计的成败。 B. 在PCB设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波，再供器件使用。 C. 在高速电路设计中，能否正确地使用去耦电容，关系到整个板的稳定性。 8、数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的，它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。 9、信号线布在电源或者地平面上 在多层PCB布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电源和地平面层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地平面的完整性。 10、设计规则检查（DRC） 布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面： （1）线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 （2）电源线和地线的宽度是否合适？电源与地平面之间是否紧耦合？ （3）对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度、加保护线、发送（TX）线及接收（RX）线的距离（有的要求分层布线）等等。 （4）模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线或者其如何连接。 （5）在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。 （6）多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。 11、检查3W、3H原则 3W原则就是指信号线与信号线之间的中心间距为线宽的3倍。 3H原则就是指信号线与信号线之间的中心间距为信号线到参考层距离的3倍。 无论是3W还是3H原则，都是为了减少信号线之间的串扰。尤其是高速信号线或者高频信号线之间。只要能满足3H或者3W的原则，那么串扰就会非常小。但是，对于小型化产品设计而言，已经很难满足3W或者3H原则。另外，串扰的主要来源已经不再只是传输线之间的影响。
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