數(shù)字電路中高速時(shí)鐘信號(hào)布線主要存在的問(wèn)題

高速時(shí)鐘信號(hào)布線電路在數(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(lái)源。一個(gè)具有2n2上升沿的時(shí)鐘信號(hào)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1.6GHz。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。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)主要的問(wèn)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(cè)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(hào)抖動(dòng)或發(fā)生過(guò)沖。阻抗匹配方法有串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、戴維南網(wǎng)絡(luò)、RC網(wǎng)絡(luò)、二極管陣等。

(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(duì)線條的波阻抗有較大的影響，特別是對(duì)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。

在PCB板上，高速時(shí)鐘信號(hào)是一類很特殊的信號(hào)：信號(hào)頻率高，對(duì)信號(hào)波形要求高，信號(hào)受干擾要小。而這個(gè)時(shí)鐘的穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性都直接相關(guān)，時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)、漂移、畸變等都對(duì)系統(tǒng)有很大的影響。因此在設(shè)計(jì)一個(gè)電路，特別是帶有高速時(shí)鐘電路的PCB板時(shí)，一定要優(yōu)先考慮系統(tǒng)的時(shí)鐘分配、走線、種類等問(wèn)題。

根據(jù)筆者和廣大電子工程師的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高速時(shí)鐘信號(hào)布線有以下幾點(diǎn)要求：

(1)高速時(shí)鐘信號(hào)線優(yōu)先級(jí)高。

高速時(shí)鐘信號(hào)線一般是信號(hào)中優(yōu)先級(jí)最高，在布線的時(shí)候，需要首先和特別考慮系統(tǒng)的主時(shí)鐘信號(hào)線。因?yàn)闀r(shí)鐘的穩(wěn)定性和可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品的特性。如果時(shí)鐘不穩(wěn)，必然導(dǎo)致產(chǎn)品的不穩(wěn)定，產(chǎn)品精度降低，甚至不能使用等一系列問(wèn)題。

(2)高速時(shí)鐘信號(hào)線盡可能地短。

高速時(shí)鐘信號(hào)線信號(hào)頻率高，對(duì)波形要求嚴(yán)格，要求信號(hào)的衰減和受到的干擾最小，為了將干擾降低到最小，所以要求走線盡量地短，保證信號(hào)的失真度最小。

(3)高速時(shí)鐘信號(hào)線盡量走在電路板的同一層上，避免過(guò)孔。

高速時(shí)鐘信號(hào)走線設(shè)計(jì)盡量設(shè)計(jì)在同一層上，也是為了減少信號(hào)的失真度，如果采用多層布線，必然要存在過(guò)孔。而過(guò)孔是具有分布電感和電容，過(guò)孔的分布參數(shù)會(huì)時(shí)鐘信號(hào)的反射和于擾，導(dǎo)致時(shí)鐘的漂移或抖動(dòng);過(guò)孔還對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的阻抗造成不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的反射和疊加，造成時(shí)鐘信號(hào)的變形，這些都是對(duì)我們有害的。

(4)高速時(shí)鐘信號(hào)線盡量走直線，避免走折線，可以采用弧線宋代替折線。

高頻電路布線的引線最好采用全直線，需要轉(zhuǎn)折，可用45°折線或圓弧轉(zhuǎn)折。這種要求在低頻電路中僅僅用于提高鋼箔的固著強(qiáng)度，而在高頻電路中，滿足這一要求卻可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的電磁輻射和與其他信號(hào)之間的串?dāng)_。

(5)高速時(shí)鐘信號(hào)線不分路。

高速時(shí)鐘信號(hào)線一般不分路，不分枝。時(shí)鐘信號(hào)的分路會(huì)造成時(shí)鐘信號(hào)的衰減、反射，導(dǎo)致信號(hào)的變形，而且信號(hào)的相位可能發(fā)生變化。為了保證時(shí)鐘相位的一致性，通常在需要時(shí)鐘分路的地方，可以采用專用的時(shí)鐘分路、放大、整形的芯片。這種芯片可以對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行無(wú)衰減、無(wú)相差的分路。

(6)必要對(duì)時(shí)鐘信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)和屏蔽。

高速時(shí)鐘信號(hào)線周圍盡量沒(méi)有其他的干擾源和走線。在外部環(huán)境比較惡劣，或者時(shí)鐘周圍有干擾比較強(qiáng)的信號(hào)線時(shí)，我們要在信號(hào)線和時(shí)鐘線之間加以隔離，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)線進(jìn)行保護(hù)和屏蔽，將干擾降低到最小。