深入分析時(shí)鐘信號(hào)走在PCB的表層到底有什么風(fēng)險(xiǎn)？

高速先生成員--黃剛

首先不要質(zhì)疑前輩們的話，時(shí)鐘信號(hào)的確最好不要放在表層，哪怕是你認(rèn)為很低頻的時(shí)鐘，像25MHz、100MHz、156.25MHz這些時(shí)鐘。做多了高速串行信號(hào)設(shè)計(jì)的工程師們可能只會(huì)覺得高速信號(hào)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(huì)比較大，高速信號(hào)對(duì)阻抗的要求很高；又或者表層的綠油損耗很大，高速信號(hào)對(duì)損耗的要求也很高等等，似乎都覺得速率高的信號(hào)才值得應(yīng)該重視。

的確，高速信號(hào)有著它們的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，但是如果你認(rèn)為一個(gè)100MHz的時(shí)鐘信號(hào)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(gè)“殘酷”的事實(shí)，100MHz的時(shí)鐘信號(hào)也可以是很“高速”的信號(hào)。時(shí)鐘的頻率低不代表沒有更高頻的能量，頻率低只是時(shí)鐘信號(hào)外在的一個(gè)掩飾，它最可怕的地方其實(shí)是在。。。它的上升下降沿！

我們可以看這兩個(gè)頻率一樣的時(shí)鐘信號(hào)，什么叫頻率一樣，應(yīng)該不用過(guò)多說(shuō)明了吧。

它們的差別只是在上升/下降沿的時(shí)間不同。沒錯(cuò)，就是因?yàn)檫@個(gè)差別，它們包含的高頻分量就差很老遠(yuǎn)了。紅色的信號(hào)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(lán)色的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)。

那時(shí)鐘高頻分量多有什么風(fēng)險(xiǎn)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(shí)鐘信號(hào)走在表層的話，整個(gè)效果就像下面這個(gè)場(chǎng)景一樣了。

對(duì)，鋪墊了半天，今天我們要分析的就是時(shí)鐘信號(hào)的EMI輻射問題。上面都是定性的去分析，下面我們將以一個(gè)具體的PCB設(shè)計(jì)案例來(lái)進(jìn)行定量的展示。一個(gè)很簡(jiǎn)單的時(shí)鐘信號(hào)走線設(shè)計(jì)，由于兩個(gè)芯片距離很近，時(shí)鐘的頻率也只有25MHz，那設(shè)計(jì)工程師就直接表層走過(guò)來(lái)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(shí)鐘鏈路的波形，由于有一個(gè)源端的串阻進(jìn)行端接，加上時(shí)鐘頻率也就25MHz，因此波形質(zhì)量沒太多的問題。

除了仿真時(shí)鐘信號(hào)的波形外，高速先生還順帶仿真了下時(shí)鐘信號(hào)對(duì)這塊PCB板在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的EMI輻射。仿真結(jié)果如下：可以看到，雖然只是25MHz的時(shí)鐘，但是對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)EMI的影響可以cover到10倍以上的基頻。當(dāng)然了，這個(gè)結(jié)果其實(shí)也是滿足EMC指標(biāo)的，畢竟走線很短，而且還有端接。

那看起來(lái)就是沒啥問題嘛！高速先生從來(lái)都很嚴(yán)謹(jǐn)，于是我們就對(duì)比同一塊板子上另外一根同頻率但是走線內(nèi)層的時(shí)鐘信號(hào)，這根信內(nèi)層信號(hào)時(shí)鐘還更長(zhǎng)。

同樣的，我們對(duì)這根內(nèi)層時(shí)鐘進(jìn)行仿真，在良好端接的情況下，時(shí)鐘信號(hào)的波形也是沒問題的。

我們也進(jìn)一步仿真下這根內(nèi)層時(shí)鐘的遠(yuǎn)場(chǎng)EMI結(jié)果，會(huì)發(fā)現(xiàn)這根長(zhǎng)度長(zhǎng)好幾倍的內(nèi)層時(shí)鐘的EMI輻射量級(jí)居然還比表層的這根這么短的時(shí)鐘在量級(jí)還小差不多10db。

做到這里其實(shí)應(yīng)該能說(shuō)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(shí)鐘走線如果端接不理想或者沒端接的時(shí)候呢？波形質(zhì)量變差的同時(shí)對(duì)EMI輻射的影響會(huì)不會(huì)加劇呢？那我們繼續(xù)往下做，我們把這個(gè)PCB設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生過(guò)沖，在我們的預(yù)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(shí)鐘信號(hào)端接不好的情況下，不僅會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，而且會(huì)產(chǎn)生更多的高頻分量，EMI的輻射量級(jí)對(duì)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(zhǎng)度更長(zhǎng)的話，惡化的程度估計(jì)就更厲害了。

最后總結(jié)一下吧，時(shí)鐘信號(hào)的上升沿就是一個(gè)難點(diǎn)所在，除了對(duì)上升沿本身的單調(diào)性要求外，上升時(shí)間如果很小的話，就會(huì)出現(xiàn)上面說(shuō)的信號(hào)過(guò)沖和EMI輻射的惡化。有的產(chǎn)品不僅要重視信號(hào)質(zhì)量本身，對(duì)EMC的要求也很高。因此不要小看這百來(lái)MHz的時(shí)鐘信號(hào)，有一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還是應(yīng)該去重視和遵循的哈！


審核編輯 黃宇