深入分析時(shí)鐘信號走在PCB的表層到底有什么風(fēng)險？
高速先生成員--黃剛
首先不要質(zhì)疑前輩們的話(huà)，時(shí)鐘信號的確最好不要放在表層，哪怕是你認為很低頻的時(shí)鐘，像25MHz、100MHz、156.25MHz這些時(shí)鐘。做多了高速串行信號設計的工程師們可能只會(huì )覺(jué)得高速信號不應該放在表層，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(jué)得速率高的信號才值得應該重視。
的確，高速信號有著(zhù)它們的設計難點(diǎn)，但是如果你認為一個(gè)100MHz的時(shí)鐘信號就可以隨便走線(xiàn)都沒(méi)問(wèn)題的話(huà)，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)鐘信號也可以是很“高速”的信號。時(shí)鐘的頻率低不代表沒(méi)有更高頻的能量，頻率低只是時(shí)鐘信號外在的一個(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，什么叫頻率一樣，應該不用過(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(méi)錯，就是因為這個(gè)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(shí)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(shí)鐘信號。
那時(shí)鐘高頻分量多有什么風(fēng)險呢？高頻分量多的話(huà)能量就很容易不受控制的到底亂竄，如果剛好加上時(shí)鐘信號走在表層的話(huà)，整個(gè)效果就像下面這個(gè)場(chǎng)景一樣了。
對，鋪墊了半天，今天我們要分析的就是時(shí)鐘信號的EMI輻射問(wèn)題。上面都是定性的去分析，下面我們將以一個(gè)具體的PCB設計案例來(lái)進(jìn)行定量的展示。一個(gè)很簡(jiǎn)單的時(shí)鐘信號走線(xiàn)設計，由于兩個(gè)芯片距離很近，時(shí)鐘的頻率也只有25MHz，那設計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(méi)太多的問(wèn)題。
除了仿真時(shí)鐘信號的波形外，高速先生還順帶仿真了下時(shí)鐘信號對這塊PCB板在遠場(chǎng)時(shí)的EMI輻射。仿真結果如下：可以看到，雖然只是25MHz的時(shí)鐘，但是對遠場(chǎng)EMI的影響可以cover到10倍以上的基頻。當然了，這個(gè)結果其實(shí)也是滿(mǎn)足EMC指標的，畢竟走線(xiàn)很短，而且還有端接。
那看起來(lái)就是沒(méi)啥問(wèn)題嘛！高速先生從來(lái)都很?chē)乐?，于是我們就對比同一塊板子上另外一根同頻率但是走線(xiàn)內層的時(shí)鐘信號，這根信內層信號時(shí)鐘還更長(cháng)。
同樣的，我們對這根內層時(shí)鐘進(jìn)行仿真，在良好端接的情況下，時(shí)鐘信號的波形也是沒(méi)問(wèn)題的。
我們也進(jìn)一步仿真下這根內層時(shí)鐘的遠場(chǎng)EMI結果，會(huì )發(fā)現這根長(cháng)度長(cháng)好幾倍的內層時(shí)鐘的EMI輻射量級居然還比表層的這根這么短的時(shí)鐘在量級還小差不多10db。
做到這里其實(shí)應該能說(shuō)明問(wèn)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(xiàn)如果端接不理想或者沒(méi)端接的時(shí)候呢？波形質(zhì)量變差的同時(shí)對EMI輻射的影響會(huì )不會(huì )加劇呢？那我們繼續往下做，我們把這個(gè)PCB設計中的串阻不用，也就是直接短路，不加串阻的情況下，由于反射沒(méi)有被端接，接收端的波形會(huì )產(chǎn)生過(guò)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？從下面的結果可以看到，在時(shí)鐘信號端接不好的情況下，不僅會(huì )影響信號質(zhì)量，而且會(huì )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(xiàn)長(cháng)度更長(cháng)的話(huà)，惡化的程度估計就更厲害了。
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