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高速先生成員--黃剛 首先不要質(zhì)疑前輩們的話，時鐘信號的確最好不要放在表層，哪怕是你認為很低頻的時鐘，像25MHz、100MHz、156.25MHz這些時鐘。做多了高速串行信號設(shè)計的工程師們可能只會覺得高速信號不應(yīng)該放在表層，原因給出得也非常合理，例如表層的阻抗加工誤差會比較大，高速信號對阻抗的要求很高；又或者表層的綠油損耗很大，高速信號對損耗的要求也很高等等，似乎都覺得速率高的信號才值得應(yīng)該重視。 的確，高速信號有著它們的設(shè)計難點，但是如果你認為一個100MHz的時鐘信號就可以隨便走線都沒問題的話，那可能也有失偏頗了！高速先生馬上就告訴大家一個“殘酷”的事實，100MHz的時鐘信號也可以是很“高速”的信號。時鐘的頻率低不代表沒有更高頻的能量，頻率低只是時鐘信號外在的一個掩飾，它最可怕的地方其實是在。。。它的上升下降沿！ 我們可以看這兩個頻率一樣的時鐘信號，什么叫頻率一樣，應(yīng)該不用過多說明了吧。 它們的差別只是在上升/下降沿的時間不同。沒錯，就是因為這個差別，它們包含的高頻分量就差很老遠了。紅色的信號上升/下降沿很快，從頻率分量看，它的高頻分量更為豐富，而藍色的時鐘信號則相反。所以，它們可以叫做頻率相同，但是高速程度不同的時鐘信號。 那時鐘高頻分量多有什么風險呢？高頻分量多的話能量就很容易不受控制的到底亂竄，如果剛好加上時鐘信號走在表層的話，整個效果就像下面這個場景一樣了。 對，鋪墊了半天，今天我們要分析的就是時鐘信號的EMI輻射問題。上面都是定性的去分析，下面我們將以一個具體的PCB設(shè)計案例來進行定量的展示。一個很簡單的時鐘信號走線設(shè)計，由于兩個芯片距離很近，時鐘的頻率也只有25MHz，那設(shè)計工程師就直接表層走過來就完事了！ 我們拿到收發(fā)芯片的仿真模型，去仿真這條短時鐘鏈路的波形，由于有一個源端的串阻進行端接，加上時鐘頻率也就25MHz，因此波形質(zhì)量沒太多的問題。 除了仿真時鐘信號的波形外，高速先生還順帶仿真了下時鐘信號對這塊PCB板在遠場時的EMI輻射。仿真結(jié)果如下：可以看到，雖然只是25MHz的時鐘，但是對遠場EMI的影響可以cover到10倍以上的基頻。當然了，這個結(jié)果其實也是滿足EMC指標的，畢竟走線很短，而且還有端接。 那看起來就是沒啥問題嘛！高速先生從來都很嚴謹，于是我們就對比同一塊板子上另外一根同頻率但是走線內(nèi)層的時鐘信號，這根信內(nèi)層信號時鐘還更長。 同樣的，我們對這根內(nèi)層時鐘進行仿真，在良好端接的情況下，時鐘信號的波形也是沒問題的。 我們也進一步仿真下這根內(nèi)層時鐘的遠場EMI結(jié)果，會發(fā)現(xiàn)這根長度長好幾倍的內(nèi)層時鐘的EMI輻射量級居然還比表層的這根這么短的時鐘在量級還小差不多10db。 做到這里其實應(yīng)該能說明問題了，但是高速先生還額外再仿真一種case，那就是這根短的表層時鐘走線如果端接不理想或者沒端接的時候呢？波形質(zhì)量變差的同時對EMI輻射的影響會不會加劇呢？那我們繼續(xù)往下做，我們把這個PCB設(shè)計中的串阻不用，也就是直接短路，不加串阻的情況下，由于反射沒有被端接，接收端的波形會產(chǎn)生過沖，在我們的預料之中。 關(guān)鍵我們要看在這樣的情況下，EMI的輻射情況是怎么樣的？從下面的結(jié)果可以看到，在時鐘信號端接不好的情況下，不僅會影響信號質(zhì)量，而且會產(chǎn)生更多的高頻分量，EMI的輻射量級對比端接理想的情況下，居然足足惡化了10db，不敢想象，如果走線長度更長的話，惡化的程度估計就更厲害了。 最后總結(jié)一下吧，時鐘信號的上升沿就是一個難點所在，除了對上升沿本身的單調(diào)性要求外，上升時間如果很小的話，就會出現(xiàn)上面說的信號過沖和EMI輻射的惡化。有的產(chǎn)品不僅要重視信號質(zhì)量本身，對EMC的要求也很高。因此不要小看這百來MHz的時鐘信號，有一些設(shè)計經(jīng)驗還是應(yīng)該去重視和遵循的哈！ |
