CN1179261C - 低电磁干扰式时钟振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种低电磁干扰式时钟振荡器，能被安装在一主机装置的主机板的标准表面粘贴塑料或陶瓷时钟振荡垫片上，以致不需重新设计主机装置的主机板，即可改造这主机装置，使其能把EMC辐射能量减低到足以通过EMC辐射能量测试的程度。该振荡器的特征在于采用一种频谱扩展EMC时钟产生器。
Description
技术领域
本发明涉及采用一个以上振荡器以建立时钟(clock)讯号的数字电子设备的电磁兼容性(EMC，特别是低电磁干扰式时钟振荡器。
背景技术
诸如个人计算机和列表机等的数字设备，其时序同步化均依赖高频振荡器所产生的时钟。这些时钟具有快速的上升时间，使FOURIER(傅立叶)功率谱在一具有相当大功率位准的宽频带上产生许多频率分量。这些FOURIER分量有许多是在射频带，可以从讯号线路、接地层、电源线和监视器电缆线等辐射出。这些辐射的分量则会干扰邻近的电气和电子接收器，例如收音机和电视。
在美国，FCC(联邦通讯委员会)颁布了不具强制性的电磁干扰兼容性(以下简称EMC)标准，厂商在美国行销其产品时未必要符合该等标准。另外，欧洲当局也颁布EMC标准，但其具强制式。依据欧洲EMC指令，除非厂商符合该等EMC标准，否则不准在欧洲共同体销售产品。
传统产品开发周期在产品设计期间往往不会咨询EMC设计工程师，结果，往往是在产品未通过EMC测试后，始想到从事减低辐射能量的EMC设计工作。这些EMC减低工作包括增添屏蔽，接地，和增添EMC滤波器等。遗憾的是，在设计业已完成后始采取这些措施，其代价相当昂贵，而且能被有效采取的措施也受限。例如，增添屏蔽，滤波器和更多的接地等因为须对印刷电路板重新布局，所以既耗时也费钱。对于高科技产品而言，因为产品很快就过时，所以善用市场商机而推出产品的门路，往往在产品的开发周期及产品的推出方面都需很迅速。由于科技进步促使业界必须不断推出更快，更小，更低功率，更高容量，和更强大的技术，所以在高科技业，产品寿命周期在三年以下并不稀奇。结果，若把时间花在重新设计产品以求符合EMC标准，可能就成了产品是否成功的致命打击。重新绕径的线路以及添增的滤波器和接地，都可能使产品增加一些必须找出及消除的错误。提供额外的屏蔽，也需要时间及费用去开发用以制造新屏蔽机件的模具。
本领域的技术人员知道，消除或减低噪声或电磁干扰(EMI)的最佳办法，就是从源头减低噪声。未通过EMC测试的产品，大部份都是因为时钟讯号谐波，时钟讯号的高频FOURIER分量及相关边频带噪声的辐射，以致无法通过，而这也可追踪到时钟振荡器。
迄今可供减低EMI的最具意义的现有技术，是以频谱扩展时钟产生器集成电路的开发为代表，例如美国第5,488,627号专利中所述，其缺点为：
1、其体积大，使电流量大而影响其效果。
2、其整个电路板并未经适当的隔离包覆，而于进行焊着而进入高温的锡炉内时，将因高温而使电路板上的电子零件受到损坏，而造成不良率。
3、其电路板上的各电子零件高度不一，而于进行自动化装配生产时，将无法使自动化设备上机器手臂上的吸盘将其顺利利吸取，而造成自动化生产上的困难。
因此，需要一种能在完成的数字设计中快速及轻易减低辐射EMI的改良时钟振荡器，使该等设计能被迅速改装成一个新的时钟振荡器，以致不需昂贵与耗时的重新设计，便能迅速及经济地通过严苛的EMC辐射能量测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有下列特性的低EMC辐射能量时钟振荡器。
第一，依本发明所构成的一种EMC时钟振荡器是属于插入式模块化形式，同时本身具有印刷电路板，以致不必将其设计到可能会将各种EMC问题设计进去的主印刷电路板或主机板(以下称主机板)。这插入式模块设有四个从本身下侧延伸的垫片，该等垫片是被分隔成能把这模块当作标准塑料与陶瓷封装的直接替代品来粘贴。此EMC时钟振荡器模块的垫片是被分隔成可在适当垫片上接受电力及接地，和在适当垫片上接受输出时钟讯号。
第二，依本发明所构成的低噪声时钟振荡器是利用一种目前商用的频谱扩展时钟产生器芯片，以便扩展各该芯片的频谱，从而降低时钟谐波的振幅。
第三，依本发明所构成的低噪声时钟振荡器包括本身设在时钟振荡器模块上的模拟与数字接地层，该等接地层是在正好是从这模块到主机板的一个单接脚连接处的单点被耦合在一起。
第四，依本发明所构成的低噪声时钟振荡器包括在时钟振荡器模块与主机板的间与三个有供电气连接各自串连的EMC滤波器。这三个EMC滤波器可防止主机装置的电源或接地层上的任何噪声抵达频谱扩展时钟产生器和被放大和减低时钟产生器芯片所产生的噪声分量，以免抵达主机板时钟总线时，仍可能进一步辐射出去。
第五，依本发明前述四个特性所定义的广义属性中的一个次属性构成的低噪声时钟振荡器，除了具有前述四个特性外，还拥有利用变更回路滤波器的电容值的方式，藉以改变这时钟振荡器各项电特性的能力。变更回路滤波器时，亦将改变时钟谐波的振幅，使其能在各谐波的FOURIER频谱分量的频宽略加变宽的代价而分成若干小段减低。另外，利用从集成电路到固定垫片的打线接合(WIREBOND1NG)，便能利用变更时钟产生器的滤波器特性而选择意欲谐波的方式，藉以变更时钟产生器对输出所选择的石英晶体频率。是以，不必更换石英晶体，就能改变这种低噪声时钟模块的时钟输出频率。
根据本发明的一个方面，一种低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：一印刷电路板，该电路板设有若干导电线路并与主机板分开；一频谱扩展时钟产生器芯片，该时钟产生器芯片设有若干耦合到导电线路中的预定线路的端子，以供产生一种频谱扩展时钟讯号；一石英晶体，被耦合到印刷电路板的导电线路中预定的线路；若干被机械和电气耦合到印刷电路板的导电线路中预定线路的接脚，该接脚被分隔成能接合到主机板上标准塑料及陶瓷表面粘贴封装上的特定接脚插座，以提供电气连接而把主机板上的Vcc电源和接地源导电线路耦合到频谱扩展时钟产生器，以及把频谱扩展时钟讯号耦合到主机板上的时钟总线，提供电气连接的垫片被制成使印刷电路板在上方而不与主机板上的任何导电线路接触，电气连接经由单一接脚连接到接地源导电线路；若干EMC滤波器，用以将各接脚耦合到频谱扩展时钟产生器的预定端子。
根据本发明的另一个方面，一种低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：一片与主机板分开并设有一接地层的印刷电路基板，该印刷电路基板的上设有分开的数字及模拟接地层线路，模拟接地层被连接到模拟接地输出端，数字接地层则被连接到数字接地输出端，此外，印刷电路基板另设有若干电气连接接脚，接脚具有一实体配置设定及布局；粘贴在该基板上以便从参考时钟讯号产生频谱扩展时钟讯号的时钟产生器芯片；时钟产生器芯片具有一个模拟电路布线的模拟接地输出端和一个数字电路布线的数字输出端，分别连接到所述印刷电路基板分开设置的所述模拟接地层线路和所述数字接地层线路，所述模拟及数字接地层在一接地接脚的位置被电气接合，该接地接脚经由标准DIP集成电路插座而电气连接到主机板的一接地总线。
根据本发明的再一个方面，一种可供插入主机板的标准DIP时钟振荡器插座的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：一片与主机板分开并设有一接地层的印刷电路基板；粘贴在该基板上以便从参考时钟讯号产生频谱扩展时钟讯号的时钟产生器芯片；第一连接器，用以在印刷电路基板的接地层和主机板的接导电线路之间提供一单点电连接，和将该接地层耦合到时钟产生器芯片的接地端；第二连接器，用以在主机板的一电源与时钟产生器芯片之间提供电气连接，和对时钟产生器芯片所产生的频谱扩展时钟讯号与主机板上的一时钟总线提供电气连接。
而本发明具有如下的优点：
1、本发明将整个电路适当分割成一个以上的部份，并以高低不同层次的加以封装，而使整体的面积大幅缩小，以利适于目前电子产品体积日愈缩小的需求。
2、如上述，当体积缩小后，于其上的电流量亦相对减少，而提升其效果。
3、整个电路被适当的封装，而形成一隔离层，以避免于高温锡炉中进行焊接程序时，受高温而损坏。
4、整个电路被适当的封装，而形成一较平的平面，以利进行自动化装配生产时自动化设备上机器手臂吸盘加以吸取装配，而达利于自动化装配生产。
为了更了解本发明的结构特征及其功效，下面结合附图以举例方式对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是依本发明属性所构成的一种陶瓷时钟模块的俯视图。
图2是本发明塑料与陶瓷振荡器模块被粘贴在主机的主机板上时的剖示图。
图3本发明模块的内部电路线路图，其中显示出数字与模拟接地线路以及单点接地。
图4是本发明两种不同规格的塑料与陶瓷振荡器模块是如何被粘贴在主机的主机板上，且该模块的接地层线路是在主机板的接地层线路上方，仅有单点连接的立体图。
图5是本发明振荡器的较佳实施例的一方块图，其中显出EMC滤波器在耦合到主机板的各个电耦合点的PINOUT与使用情形。
图6是图1所示低噪声时钟振荡器模块的图解图。
图7示出了图1中具有20MHZ输入电频率的EMC时钟产生器模块所导致的EMC辐射能量与标准石英晶体时钟振荡器的比较图。
附图标号说明：10印刷电路板；12数字接地层(模块接地层)；14模拟接地层；16导电线路点；18、20、22、24、36、38、4垫片；26主机板；27接点；271焊锡；30时钟产生器芯片；32石英晶体；36LF滤波器；40、42线路；44、46、50E MC滤波器；48线。
具体实施方式
请参见图1，是依本发明属性所构成的一种低电磁干扰式时钟振荡器模块的俯视图。该时钟振荡器模块具有本身的印刷电路板10，该印刷电路板10则具有本身的数字接地层线路(GROUND PLANETRACE)和模拟接地层线路(如图3所示)。
参见图2和图3，是本发明塑料与陶瓷时钟振荡器模块被粘贴在主机的主机板26上时的剖示及印刷电路板10的内部导电线路。数字接地层12及模拟接地层14是在单一导电线路点16予以实体及电气接合，并被电气连接到图1所示的接脚18。时钟振荡器模块具有四个从这模块下侧延伸的垫片(PAD)18、20、22和24，藉该四个垫片18、20、22及24与主机板26上的接点27以焊锡271粘贴时，而使该时钟振荡器模块与主机板26间形成一适当间距。
再请参阅图4所示，是EMC(电磁兼容性)时钟振荡器模块插入任一主机装置的数字电路主机板26的方式。该EMC时钟振荡器模块是以四个粘贴到标准塑料或陶瓷封装的垫片上的表面粘贴垫片18、20、22和24，而从主机板26获得机械支承和电气连接到这主机板26。粘贴时，除了主机板26接地层与振荡器模块接地层的间的单点连接外，时钟振荡器模块的接地层线路均在主机板26接地层线路的上方并与其绝缘。标准的塑料或陶瓷封装是由以垫片18为代表的垫片的两条并行线表示，并被电气耦合到主机板26的导电线路，以便对传统的时钟产生器芯片30提供电源连接，对主机板26上的时钟总线提供连接，和对主机板26数字接地层12/线路垫片18以及主机板26模拟接地层14或线路提供一个以上的接地。四个从振荡器模块下侧延伸的垫片18、20、22和24，在尺寸与彼此的间隔上是设成能嵌入塑料和陶瓷封装，的适当接脚插座，以便除了接地外，对电源、地面和时钟总线的连接均与标准时钟产生器芯片30相同。依本发明的教导所构成的一种低噪声时钟模块，是从单一点而在这时钟模块的数字与模拟接地层12、14到模拟与数字接地层线路(该等线路应主机板上予以电气接合)的间接地。此举对于任何EMI(电磁干扰)问题，例如在主机板26接地层上会发出噪声的公用阻抗，接地回路，或涡流等，均具有能防止其无法耦合到时钟振荡器模块的接地层或线路的优点。如果主机板26接地层上的这些接地回路被耦合到EMC时钟振荡器模块的接地层，就会因为改变EMC频率的接地参考电压，而把噪声注入时钟产生器的输出讯号，致使该等接地回路能被(放大)。于是从时钟产生器发出的这种载有噪声的输出讯号被耦合到主机板26的时钟总线，届时会在辐射天线处起作用，藉以增加EMC的辐射能量(EMISSION)。利用仅从一点把这低噪声时钟振荡器的接地层耦合到主机板26接地层线路的方式，即可消除这种噪声机制。
请再次参阅图1，其于印刷电路板10中央显示一个频谱扩展时钟产生器芯片30。这时钟产生器芯片30是被耦合到一个为该芯片设定基本频率的石英晶体32。时钟产生器芯片30的功能是扩展各谐波的FOURIER(傅立叶)功率频谱，藉以保留各谐波的总电能，因而减低各时钟谐波的振幅。因为EMC辐射能量测试仅对各种不同频率的EMC辐射能量订立临界振幅位准(该等振幅位准是随着频带的增高而降低)，所以此举有助于数字产品通过该等测试。以频谱扩展而使各时钟谐波的振幅减低的方式，便可让一些数字产品通过原先通不过的EMC辐射能量测试。依本发明的教导所构成的EMC时钟振荡器，其模块化插入替代形式的一个优点，就是不需花费任何时间，斥资重新设计产品，例如重新绕径(RE-ROUTING)，添增屏蔽，和更多的接地等，便可让目前商用的频谱扩展时钟产生器经改造而适用到未通过EMC测试的主机0系统。如果产品仅因差1-2DB而未通过电磁辐射能量测试(EMI测试)时，单单改用频谱扩展时钟产生器技术便足以使这产品通过。
依本发明所构成的低电磁干扰式时钟振荡器也包括该振荡器的印刷电路板上的若干切换开关(SWITCH)，该等切换开关的状况可被变更，藉以改变这种低噪声时钟振荡器的时钟频率输出。这些切换开关是采取导电垫片的形式，其中以垫片36和38为代表。有若干对的垫片是利用若干线路，其中以线路40和42为代表，而被电气连接在一起，但大部份的垫片是被耦合到频谱扩展时钟产生器芯片30。利用从频谱扩展时钟产生器芯片30接合到印刷电路板10上各导电垫片的打线接合(WIREBONDING方式，便可改变频谱扩展时钟产生器芯片30中各内部滤波器的频率选择通带特性，而选择各种不同的基本输出频率谐波，藉以改变振荡器模块的时钟讯号输出频率。LF(低频)滤波器36的另一重要功能，即为电容的变更将会改变时钟谐波频谱的扩展量，以致可分段控制该等谐波的扩展量。从文献可充分证明，当时钟谐波频率有它的频谱扩展时，在FOURIER频谱中的基本频率的振幅便减低。频谱扩展的越大，振幅便减低的越多。若将某些线路切断，便可分段增加频谱扩展量。每当频谱扩展量增加时，便比照减低所扩展的基本谐波的振幅。此举有助于可用EMC时钟振荡器来改造只差一点而未通过EMC测试的主机产品。虽然EMC时钟振荡器减低EMC辐射能量的程度可高达20DB，若对一个只差4DB而未通过EMC测试的产品如此做时，将会使时钟谐波频谱扩展到超过其通过EMC辐射能量测试所需的程度。时钟讯号的频谱若是扩展的太厉害，可能会使一些微处理器失效或产生断续性的误差或其它故障。因此，对于只超过EMC定限一点点的时钟谐波振幅，较佳的做法是在足以使主机产品轻松通过EMC测试，却又不超过其通过EMC测试所需程度的原则下，让这振幅能减低几个DB。此举可使主机数字电路组件中因时钟讯号频谱的扩展而在他处产生的误差减至最低或完全消除。
图5是振荡器较佳实施例的一方块图，其中显示出EMC滤波器在耦合到主机板26的各个电耦合点的PINOUT(接脚外特性)与使用情形。时钟产生器本身具有以石英晶体32所定义的基本频率，并经由标准塑料和陶瓷表面粘贴封装的EMC滤波器44，和垫片4而被耦合到一个Vcc(电源电压)电源。EMC滤波器44可防止Vcc供电上的EMC噪声抵达时钟产生器芯片30，以及经注入时钟讯号与耦合到时钟总线而被放大。时钟产生器芯片30的接脚是经由EMC滤波器46与一个通过标准14接脚式DIP(双列式封装)的第7接脚的单点接地，而被耦合到模块接地层12及主机板26的接地层。EMC滤波器46可防止主机板26接地层上的任何接地回路或其它噪声耦合到时钟产生器芯片30，和经注入时钟讯号与耦合到时钟总线而被放大，以致辐射到EMC测试接收器。线48上的时钟产生器芯片30输出时钟讯号是通过EMC滤波器50再经由封装布局的第3接脚而被耦合到主机板26时钟总线。EMC滤波器50可抑制时钟讯号中的任何EMC噪声分量(COMPONENT)，致使它们不会抵达主机板26时钟总线以及辐射出。
图6是图1所示振荡器模块的图解图。时钟产生器芯片30可接受6到160MHZ的输入频率，输出时钟频率则可以相当于输入频率的一个分数或倍数，且这输出频率可在6到160MHZ的间选择。该时钟产生器芯片30具有一个设于电路板上的内部振荡器，其频率则是由耦合到第12及13接脚的任一石英晶体或其它平行谐振电路予以设定。受调输出时钟讯号是出现在时钟产生器芯片30的第5、6和7接脚。第2和10接脚则是依据芯片制造厂商所公布并以参照方式并入于此的图表，以供用于倍频。LF讯号是时钟讯号的检相输出。它是个单端三态输出，可供当作回路误差讯号。REFOUT讯号是个石英晶体或频率输入参考的缓冲输出。LF滤波器36的电容可确定频谱扩展调变量，据以可控制时钟谐波振幅的减低量。第14和15接脚是用以控制频率输入范围。使用接地的切换开关或应用Vcc(逻辑1)，这些不同的控制接脚便控制时钟产生器芯片30的运作，据以控制调变量，频率输入乘法器的设定，和频率输入范围。
请参阅图7所示，是图1中具有20MHZ输入电频率的EMC时钟产生器模块所导致的EMC辐射能量与标准晶体时钟振荡器的比较图，其中纵轴是EMC辐射能量的振幅，并以DB为单位，而横轴则是辐射能量的频率。细线表示EMC时钟振荡器模块的辐射能量，而粗线则表示标准晶体振荡器在不同频率时的EMC辐射能量。综上所述，本发明具提供体积小、电流量减少于高温锡炉中进行焊接程序时，不受高温而损坏及利进行自动化装配生产时自动化设备上机器手臂吸盘加以吸取装配生产者。
Claims (10)
1、一种低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：
一印刷电路板，该电路板设有若干导电线路并与主机板分开；
一频谱扩展时钟产生器芯片，该时钟产生器芯片设有若干耦合到导电线路中的预定线路的端子，以供产生一种频谱扩展时钟讯号；
一石英晶体，被耦合到印刷电路板的导电线路中预定的线路；
若干被机械和电气耦合到印刷电路板的导电线路中预定线路的接脚，该接脚被分隔成能接合到主机板上标准塑料及陶瓷表面粘贴封装上的特定接脚插座，以提供电气连接而把主机板上的Vcc电源和接地源导电线路耦合到频谱扩展时钟产生器，以及把频谱扩展时钟讯号耦合到主机板上的时钟总线，提供电气连接的垫片被制成使印刷电路板在上方而不与主机板上的任何导电线路接触，电气连接经由单一接脚连接到接地源导电线路；
若干EMC滤波器，用以将各接脚耦合到频谱扩展时钟产生器的预定端子。
2、一种低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：
一片与主机板分开并设有一接地层的印刷电路基板，该印刷电路基板的上设有分开的数字及模拟接地层线路，模拟接地层被连接到模拟接地输出端，数字接地层则被连接到数字接地输出端，此外，印刷电路基板另设有若干电气连接接脚，接脚具有一实体配置设定及布局；
粘贴在该基板上以便从参考时钟讯号产生频谱扩展时钟讯号的时钟产生器芯片；
时钟产生器芯片具有一个模拟电路布线的模拟接地输出端和一个数字电路布线的数字输出端，分别连接到所述印刷电路基板分开设置的所述模拟接地层线路和所述数字接地层线路，所述模拟及数字接地层在一接地接脚的位置被电气接合，该接地接脚经由标准DIP集成电路插座而电气连接到主机板的一接地总线。
3、如权利要求2所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于还包括：
切换开关器，被耦合到时钟产生器芯片，以便分段控制该时钟产生器芯片对参考时钟讯号所执行的频谱扩展调变量，和控制各离散范围的参考时钟讯号的输入频率范围，以及控制时钟参考讯号的频率倍增量。
4、如权利要求2所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于时钟产生器芯片具有一个电源输入端和一个可将所产生的时钟讯号输出的时钟输出端；除了接地接脚外，电气连接接脚还包括一个可经由集成电路插座而耦合到主机板上的功率总线的电源接脚，和一个可经由集成电路插座而耦合到主机板上的时钟总线的输出接脚，另包括粘贴在印刷电路基板上的若干EMC滤波器，以便把电源接脚、接地接脚和输出接脚分别耦合到时钟产生器芯片的功率输出端，接地输出端和时钟输出端。
5、如权利要求2项所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于电气连接接脚被分隔与安排成能插入主机板上标准塑料及陶瓷表面粘贴封装上的特定接脚插座。
6、如权利要求3所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于电气连接接脚被分隔与安排成能插入主机板上标准塑料及陶瓷表面粘贴封装上的特定接脚插座。
7、如权利要求4所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于电气连接接脚被分隔与安排成能插入主机板上标准塑料及陶瓷表面粘贴封装上的特定接脚插座。
8、一种可供插入主机板的标准DIP时钟振荡器插座的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于包括：
一片与主机板分开并设有一接地层的印刷电路基板；
粘贴在该基板上以便从参考时钟讯号产生频谱扩展时钟讯号的时钟产生器芯片；
第一连接器，用以在印刷电路基板的接地层和主机板的接导电线路之间提供一单点电连接，和将该接地层耦合到时钟产生器芯片的接地端；
第二连接器，用以在主机板的一电源与时钟产生器芯片之间提供电气连接，和对时钟产生器芯片所产生的频谱扩展时钟讯号与主机板上的一时钟总线提供电气连接。
9、如权利要求9项所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于还包括：
切换开关器，用以分段控制时钟产生器对参考时钟讯号所执行的频谱扩展调变量，和控制各离散范围的参考时钟讯号的输入频率范围，以及控制时钟参考讯号的频率倍增量；
10、如权利要求9所述的低电磁干扰式时钟振荡器，其特征在于还包括粘贴在印刷电路基板上的若干EMC滤波器，以便把主机板的电源接地导电线路和时钟总线各自耦合到时钟产生器各相应端。
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