PCB板時鐘電路的電磁兼容設計

摘要：為了研究PCB集成電路板中時鐘引起的電磁兼容問題，采用了仿真數值計算的方法，對時鐘電路的電磁兼容設計時幾種主要影響因素進行分析研究，確定了在PCB集成電路板設計時的時鐘選擇原則，以及時鐘電路電磁兼容設計時的具體對象和內容，通過優化時鐘設計的布局和布線來達到提高了PCB板電磁兼容設計。最后提出了可以有效切斷PCB板上時鐘干擾傳播途徑的幾種措施，為工程技術人員提供一種解決相關問題的思路。
關鍵詞：PCB板；時鐘信號；電磁兼容設計；仿真數值計算

0 引言
眾所周知，電磁兼容的3要素是電磁干擾源、被干擾對象和傳播電磁干擾的途徑。PCB板上安裝的時鐘信號是一種引起PCB板電磁兼容問題的常見而又非常重要的輻射源。盡管時鐘信號與其他數據信號、控制信號的邏輯電平一般都是一樣的，翻轉速率一般也沒有太大的差別(大多數總線數據率與時鐘信號翻轉速率之比是1：1或者1：2)，但由于時鐘信號之所以更容易接近或者超過輻射發射的限值，主要原因是時鐘信號是比較嚴格的周期信號，其在頻域的能量主要集中在某些頻點上，而數據信號是非周期信號，在頻域上的能量也是比較分散的。因此，良好的時鐘電路設計是PCB板的電磁兼容設計的關鍵。

1 時鐘信號的頻譜
根據傅里葉展開可以得到，一個幅度為A，周期為T，脈沖寬度為t0，上升下降時間為tr的梯形時鐘波形，其在n次諧波處的諧波分量為：

式中C(n)為n次諧波處的諧波分量，單位：V或dBμV。
從上面梯形時鐘波形的傅里葉級數可以看出，影響時鐘信號輻射強度的因素有時鐘波形的幅度A、占空比(t0+tr)／T、時鐘周期T(或者時鐘頻率f)、以及時鐘波形的上升時間和下降時間。其中時鐘信號的幅度與其產生的干擾直接線性相關，上升時間和下降時間對時鐘高次諧波的影響至關重要。

2 時鐘頻譜的影響因素
2．1 時鐘上升時間對輻射的影響
假設有2個時鐘信號，幅度都為1 V，頻率都為50 MHz，上升時間分別為2 ns和4 ns。根據上面的傅里葉變換可以得到2個時鐘信號的頻譜分布，如圖1所示。