PCB板时钟电路的电磁兼容设计

摘要：为了研究PCB集成电路板中时钟引起的电磁兼容问题，采用了仿真数值计算的方法，对时钟电路的电磁兼容设计时几种主要影响因素进行分析研究，确定了在PCB集成电路板设计时的时钟选择原则，以及时钟电路电磁兼容设计时的具体对象和内容，通过优化时钟设计的布局和布线来达到提高了PCB板电磁兼容设计。最后提出了可以有效切断PCB板上时钟干扰传播途径的几种措施，为工程技术人员提供一种解决相关问题的思路。
关键词：PCB板；时钟信号；电磁兼容设计；仿真数值计算

0 引言
众所周知，电磁兼容的3要素是电磁干扰源、被干扰对象和传播电磁干扰的途径。PCB板上安装的时钟信号是一种引起PCB板电磁兼容问题的常见而又非常重要的辐射源。尽管时钟信号与其他数据信号、控制信号的逻辑电平一般都是一样的，翻转速率一般也没有太大的差别(大多数总线数据率与时钟信号翻转速率之比是1：1或者1：2)，但由于时钟信号之所以更容易接近或者超过辐射发射的限值，主要原因是时钟信号是比较严格的周期信号，其在频域的能量主要集中在某些频点上，而数据信号是非周期信号，在频域上的能量也是比较分散的。因此，良好的时钟电路设计是PCB板的电磁兼容设计的关键。

1 时钟信号的频谱
根据傅里叶展开可以得到，一个幅度为A，周期为T，脉冲宽度为t0，上升下降时间为tr的梯形时钟波形，其在n次谐波处的谐波分量为：

式中C(n)为n次谐波处的谐波分量，单位：V或dBμV。
从上面梯形时钟波形的傅里叶级数可以看出，影响时钟信号辐射强度的因素有时钟波形的幅度A、占空比(t0+tr)／T、时钟周期T(或者时钟频率f)、以及时钟波形的上升时间和下降时间。其中时钟信号的幅度与其产生的干扰直接线性相关，上升时间和下降时间对时钟高次谐波的影响至关重要。

2 时钟频谱的影响因素
2．1 时钟上升时间对辐射的影响
假设有2个时钟信号，幅度都为1 V，频率都为50 MHz，上升时间分别为2 ns和4 ns。根据上面的傅里叶变换可以得到2个时钟信号的频谱分布，如图1所示。