數(shù)字時(shí)鐘的電磁兼容設(shè)計(jì)

1、數(shù)字時(shí)鐘的電磁兼容設(shè)計(jì)呂英華 于學(xué)萍 董玉祥 王雪松北京郵電大學(xué)156信箱，郵編100876摘要:數(shù)字設(shè)備中的時(shí)鐘電路是保證數(shù)字設(shè)備性能的關(guān)鍵部件，除了芯片質(zhì)量之外，印制板的電磁兼容設(shè)計(jì)是保證時(shí)鐘電路性能的關(guān)鍵技術(shù)，文章還提出了數(shù)字設(shè)備安全的分層模型。特別在因特網(wǎng)普及和飛速發(fā)展的今天，硬件的性能和軟件性能共同決定了數(shù)字設(shè)備的好壞。本文簡述了數(shù)字時(shí)鐘電路的電磁兼容設(shè)計(jì)的基本原理和實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。提出了數(shù)字設(shè)備安全的分層模型。關(guān)鍵詞：數(shù)字時(shí)鐘電路、數(shù)字設(shè)備安全的分層模型、微帶線、電磁輻射 隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備數(shù)字化已經(jīng)成為近代電子設(shè)備發(fā)展的潮流。電子設(shè)備數(shù)字化使得電子設(shè)備的結(jié)

2、構(gòu)和設(shè)計(jì)方法都發(fā)生了很大的改變，軟硬件結(jié)合、數(shù)字邏輯關(guān)系配合、聯(lián)網(wǎng)工作性能、靈活的接口功能、智能化的操作能力等都成為數(shù)字化儀表的突出特點(diǎn)。其次，由于數(shù)字電路等同于高頻電路，在進(jìn)行印制板設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生了獨(dú)特的電磁兼容問題。下面將針對數(shù)字設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)和時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)問題談?wù)剛€(gè)人觀點(diǎn)。一、數(shù)字設(shè)備安全的分層模型 電子電路的抗干擾技術(shù)是電磁兼容技術(shù)的重要內(nèi)容之一。九十年代以前，人們對電子設(shè)備的安全性和電磁兼容性的認(rèn)識還僅僅局限于電子設(shè)備硬件和操作者自身的安全方面。九十年代以后，電子設(shè)備數(shù)字化步伐加快，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速向其他技術(shù)滲透，數(shù)字電子設(shè)備要求能夠聯(lián)網(wǎng)工作，因此，環(huán)境中除了電磁噪聲源的影響之

3、外，還增加了許多以網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字邏輯為平臺(tái)以竊取信息和破壞數(shù)字設(shè)備工作軟件為目的的威脅數(shù)字設(shè)備安全的危險(xiǎn)，數(shù)字電子設(shè)備的工作環(huán)境的進(jìn)一步惡化。人們對電子設(shè)備的安全性和電磁兼容性的認(rèn)識有了很大的改變，在很大程度上把信息安全擺到了首位。為了實(shí)現(xiàn)信息安全和設(shè)備硬件安全，必須綜合考慮軟件和硬件功能，本文提出以下數(shù)字設(shè)備安全的分層模型。圖1：數(shù)字設(shè)備安全的分層模型 在模型中所有的邏輯層都建筑在全部物理層之上，任何物理子層的信息漏泄都可以導(dǎo)致邏輯子層的加密或認(rèn)證失效。物理層的電磁兼容包含四個(gè)層面的電磁兼容設(shè)計(jì)，每個(gè)層面都有自己特定的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，每個(gè)層面都有電磁輻射或電磁漏泄的防護(hù)設(shè)計(jì)和電磁敏感性設(shè)計(jì)。在

4、邏輯子層安全設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)采用軟件工程方法在研究軟件的可靠性和邏輯正確性之外增加軟件運(yùn)行中的抗干擾能力的設(shè)計(jì)和軟件運(yùn)行中的生存性的設(shè)計(jì)。 嚴(yán)格地進(jìn)行電子電路的電磁兼容設(shè)計(jì)常常成為一個(gè)新的電子系統(tǒng)或設(shè)備成敗的關(guān)鍵，如果設(shè)備或系統(tǒng)建成之后才發(fā)現(xiàn)電子電路的電磁兼容設(shè)計(jì)問題，就必須推翻整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)就會(huì)浪費(fèi)大量資金和人力。二、數(shù)字時(shí)鐘信號的基本頻率特性時(shí)鐘信號是解讀數(shù)字信息的基礎(chǔ)，時(shí)鐘信號應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，具有標(biāo)準(zhǔn)彼形和嚴(yán)格的相位關(guān)系。時(shí)鐘電路的電磁兼容設(shè)計(jì)主要是要保證在印制線條上傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號不發(fā)生終端反射效應(yīng)、基本上沒有傳輸延遲、不對其他電路或器件造成串音干擾。在進(jìn)行時(shí)鐘電路的電磁兼容設(shè)計(jì)之前，我們必

5、須對時(shí)鐘信號的頻譜特性進(jìn)行分析。時(shí)鐘信號具有如下的標(biāo)準(zhǔn)波形。圖2時(shí)鐘信號的標(biāo)準(zhǔn)彼形 這種等腰梯形的周期數(shù)字脈沖的付立葉展開有下面形式1， 式中，是數(shù)字脈沖寬度，tr是數(shù)字脈沖的上升時(shí)間，T是數(shù)字信號的重復(fù)周期，t0是等腰梯形的上頂長度。在上面展開式中，如果設(shè)f=n/T，則展開系數(shù)Cn在不同頻段可以分別近似如下：當(dāng)f1/()時(shí)，可以近似為sin(f)f，同時(shí)有sin(ftr)f tr，則有Cn2V0當(dāng)1/() f1/(tr)時(shí)，可以近似為sin(f)1， sin(ftr)f tr，則有Cn2V0/(f)當(dāng)f1/(tr)時(shí)，可以近似為sin(f)1，1sin(ftr)1，則有 Cn2V0/(2 f

6、2tr2)從上述簡單分析知道，時(shí)鐘信號的頻譜特性可以分成三個(gè)區(qū)間，第一個(gè)區(qū)間是當(dāng)f1/()時(shí)，其頻譜幅值近似為常數(shù)Cn2V0。到f=1/()時(shí)，發(fā)生了轉(zhuǎn)折，在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，也就是在第二個(gè)區(qū)間中，時(shí)鐘信號的頻譜幅值近似為Cn2V0/(f)。這種情況持續(xù)到f=1/(tr)時(shí)，發(fā)生了第二次轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，也就是在第三個(gè)區(qū)間中，時(shí)鐘信號的頻譜幅值近似為Cn2V0/(2 f2tr2)。以上情況可以用圖3來表述。圖3 時(shí)鐘信號的頻譜特性 從圖3可以看出當(dāng)我們考慮第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的十倍頻點(diǎn)的頻譜幅值時(shí)，在第二個(gè)區(qū)間中，時(shí)鐘信號的頻譜幅值近似為Cn2V0/(f)，則十倍頻諧波幅值將降低20分貝，在第三個(gè)區(qū)間中

7、，時(shí)鐘信號的頻譜幅值近似為Cn2V0/(2 f2tr2)，則十倍頻諧波幅值將降低40分貝。對標(biāo)準(zhǔn)的兩根印制線條來講線間串音強(qiáng)度隨頻率增長，也就是十倍頻諧波幅值將增長20分貝，結(jié)合時(shí)鐘信號的頻譜特性，可以發(fā)現(xiàn)線間串音強(qiáng)度的頻率特性將如圖4和圖5所示。 圖4 線間串音強(qiáng)度的頻率特性與時(shí)鐘信號的頻譜特性比較 綜合考慮線間串音強(qiáng)度的頻率特性與時(shí)鐘信號的頻譜特性可以得到兩根印制線條線間串音強(qiáng)度隨頻率變化的情況如圖5所示。圖5 兩根印制線條線間串音強(qiáng)度隨頻率變化的情況 在圖5中，當(dāng)1/()f1/(tr)時(shí)，兩根印制線條線間串音強(qiáng)度最大，至1/(tr)的十倍頻時(shí)，兩根印制線條線間串音強(qiáng)度下降為-20db，所

8、以我們在進(jìn)行時(shí)鐘電路印制線條電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，通?？紤]1/(tr)的十倍頻。三、 時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)方法 時(shí)鐘電路在數(shù)字電路中占有重要地位，同時(shí)時(shí)鐘電路也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)主要的問題有如下幾個(gè)方面。（1） 阻抗控制：計(jì)算各種由印制板線條構(gòu)成的微帶線和微帶波導(dǎo)的波阻抗，相移常數(shù)，衰減常數(shù)等等。許多設(shè)計(jì)手冊都可以查到一些典型結(jié)構(gòu)的波阻抗和衰減常數(shù)。特殊結(jié)構(gòu)的微帶線和微帶波導(dǎo)的參數(shù)需要用計(jì)算電磁學(xué)的方法求解。（2） 傳輸延遲和阻抗匹配：由印制線條的相移常數(shù)計(jì)算時(shí)鐘脈沖受到的延遲，當(dāng) 延遲達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就要進(jìn)行阻抗匹配以免發(fā)生終端反射使時(shí)鐘信號抖動(dòng)或發(fā)生過沖。阻抗匹配方法有串聯(lián)電

9、阻、并聯(lián)電阻、戴維南網(wǎng)絡(luò)、RC網(wǎng)絡(luò)。二極管陣等方式。（3） 印制線條上接入較多容性負(fù)載的影響：接在印制線條上的容性負(fù)載對線條的 彼阻抗有較大的影響。特別是對總線結(jié)構(gòu)的電路，容性負(fù)載的影響往往是要考慮的關(guān)鍵因素。 根據(jù)上述討論可以得出結(jié)論，時(shí)鐘電路的電磁兼容設(shè)計(jì)所要考慮的頻帶寬主要取決于時(shí)鐘信號的邊沿時(shí)間（包括上升沿和下降沿）。一個(gè)具有2ns上升沿的時(shí)鐘信號輻射能量的帶寬可達(dá)160MHz，其可能輻射帶寬可達(dá)十倍頻，即能達(dá)到16GHz。因此，設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路是保證達(dá)到整機(jī)輻射指標(biāo)的關(guān)鍵。在進(jìn)行時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，必須把印制線條作為傳輸線處理。表達(dá)傳輸線可以采用三種方式：（1） 用傳輸波阻抗和傳輸

10、時(shí)延兩個(gè)參數(shù)描述傳輸線。（2） 用傳輸波阻抗和（與波長有關(guān)的）規(guī)一化長度描述傳輸線。（3） 用單位長度的電感、電容和印制線的物理長度來描述傳輸線。 在印制板設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用第一種方式描述由印制線條構(gòu)成的傳輸線。此時(shí)，傳輸時(shí)延的大小訣定了印制線條是否需要采取阻抗控制的措施。當(dāng)線條上有很多電容性負(fù)載時(shí)，線條的傳輸時(shí)延將會(huì)增大，與原來的傳輸時(shí)延有如下的關(guān)系，td為不考慮容性負(fù)載時(shí)的線條傳輸時(shí)延，C0為不考慮容性負(fù)載時(shí)的線條分布電容。還有許多其他時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)問題，如時(shí)鐘區(qū)與其他功能區(qū)的隔離、同層板中時(shí)鐘線條屏蔽等問題。1、 微帶線的情形圖6是一根微帶線的結(jié)構(gòu)圖，它的傳輸參數(shù)可以用下面的公式求出。圖6微帶

11、線的結(jié)構(gòu)其中tr是時(shí)鐘信號的邊沿時(shí)間fsignificant=10fmaxZ0線條特性阻抗、w線條寬度、T線條厚度、h線條到參考平面的距離、B介質(zhì)厚度2、 微帶波導(dǎo)的情形圖7是一根微帶波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖，它的傳輸參數(shù)可以用下面的公式求出圖7微帶波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以按下述步驟進(jìn)行，（1） 根據(jù)原理圖畫出布線草圖（2） 把所使用的元器件按實(shí)際尺寸擺放，并畫出元件擺放圖（3） 計(jì)算每一條時(shí)鐘線的阻抗。延遲時(shí)間、容性負(fù)載等參數(shù)（4） 針對阻抗失配和延遲失配的情況設(shè)計(jì)匹配電路（5） 設(shè)計(jì)時(shí)鐘供應(yīng)布線轉(zhuǎn)接電路四 時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)技巧1、 首先舉例說明時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 設(shè)有時(shí)鐘信號的

12、上升時(shí)間為2ns，時(shí)鐘線條為微帶彼導(dǎo)長10英寸，線條寬度為0.006英寸，H0.020英寸，T=0.0014英寸，r=4.6，沿線接有5個(gè)邏輯器件，每個(gè)邏輯器件的輸入電容為14pf。（A）計(jì)算印制線條參數(shù)（B）容性負(fù)載及影響由傳輸波阻抗和傳輸時(shí)延兩個(gè)參數(shù)計(jì)算印制線條的單位長的分布電容，因?yàn)?，于是，加了容性?fù)載后的延遲時(shí)間為（C）傳輸線效應(yīng)分析判斷是否需要考慮傳輸線效應(yīng)要看（4）式是否成立，即是否成立，此處2x0.32x10=6.32>2.0ns，顯然要針對阻抗失配和延遲失配的情況設(shè)計(jì)匹配電路。2、 時(shí)鐘電路電磁兼容設(shè)計(jì)技巧（A） 首先要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟季€，印制板的電磁兼容分析可以基于克?；舴?/p>

13、定律和法拉第電磁感應(yīng)定律。根據(jù)克?；舴蚨?，任何時(shí)域信號由源到負(fù)載的傳輸都必須構(gòu)成一個(gè)完整的回路，一個(gè)頻域信號由源到負(fù)載的傳輸都必須有一個(gè)最低阻抗的路徑。這個(gè)原則完全適合高頻輻射電流的情況，如果高頻輻射電流不是經(jīng)由設(shè)計(jì)中的回路到達(dá)目的負(fù)載就一定是通過某個(gè)客觀存在的電回路到達(dá)的，這一非正?；芈分械囊恍┢骷蜁?huì)遭受電磁干擾。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，任何磁通變化都會(huì)在閉合回路中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，任何交變電流都會(huì)在空間產(chǎn)生電磁場。布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰。這樣的安排是為了產(chǎn)生通量對消作用。（B） 其次，時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。（C） 選擇恰當(dāng)?shù)钠骷窃O(shè)計(jì)成功的重要因素，特別在選擇邏輯器件時(shí)，盡量選上升時(shí)間 比五納秒長的器件，決不要選比電路要求時(shí)序快的邏輯器件。（D） 設(shè)計(jì)印制板時(shí)經(jīng)常要在電路上加電容器來滿足數(shù)字電路工作時(shí)要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。平滑或容納電容是用來解決開關(guān)器件工作時(shí)電源電壓會(huì)發(fā)生突降的問題。采用一個(gè)大容量的電容器與一個(gè)小容量的電容器并聯(lián)的方法可以有效地改善自諧振頻率特性。當(dāng)大容量的電容器達(dá)到諧振點(diǎn)時(shí)，大電容的阻抗開始隨頻率增加而變大；小容量的電容器尚未達(dá)到諧振點(diǎn)仍然隨頻率增加而變小并將對旁路電流起主導(dǎo)作用。（E） 層間跳線應(yīng)當(dāng)