原创高速时钟线的处理

 2007-12-26 14:44  6720 5 8 分类: PCB

2 时钟线的处理
2.1)建议先走时钟线。
2.2)频率大于等于<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />66M的时钟线，每条过孔数不要超过2个，平均不得超过1.5个。
2.3)频率小于66M的时钟线，每条过孔数不要超过3个，平均不得超过2.5个
2.4)长度超过12inch的时钟线，如果频率大于20M，过孔数不得超过2个。
2.5)如果时钟线有过孔，在过孔的相邻位置，在第二层（地层）和第三层（电源层）之间加一个旁路电容、如图2.5-1所示，以确保时钟线换层后，参考层（相邻层）的高频电流的回路连续。旁路电容所在的电源层必须是过孔穿过的电源层，并尽可能地靠近过孔，旁路电容与过孔的间距最大不超过300MIL。图2.5-1过孔处的旁路电容
2.6)所有时钟线原则上不可以穿岛。下面列举了穿岛的四种情形。
2.6.1) 跨岛出现在电源岛与电源岛之间。此时时钟线在第四层的背面走线，第三层(电源层)有两个电源岛，且第四层的走线必须跨过这两个岛，如图2.6-1所示。
2.6.2) 跨岛出现在电源岛与地岛之间。此时时钟线在第四层的背面走线，第三层(电源层)的一个电源岛中间有一块地岛，且第四层的走线必须跨过这两个岛。如图2.6-2所示。
2.6.3) 跨岛出现在地岛与地层之间。此时时钟线在第一层走线，第二层(地层)的中间有一块地岛，且第一层的走线必须跨过地岛，相当于地线被中断。如图2.6-3所示。
2.6.4) 时钟线下面没有铺铜。若条件限制实在做不到不穿岛，保证频率大于等于66M的时钟线不穿岛，频率小于66M的时钟线若穿岛，必须加一个去耦电容形成镜像通路。以图6.1为例，在两个电源岛之间并靠近跨岛的时钟线，放置一个0.1UF的电容。
2.7)当面临两个过孔和一次穿岛的取舍时，选一次穿岛。
2.8)时钟线要远离I/O一侧板边500MIL以上，并且不要和I/O线并行走，若实在做不到，时钟线与I/O口线间距要大于50MIL。
2.9)时钟线走在第四层时，时钟线的参考层（电源平面）应尽量为时钟供电的那个电源面上，以其他电源面为参考的时钟越少越好，另外，频率大于等于66M的时钟线参考电源面必须为3.3V电源平面。
2.10)时钟线打线时线间距要大于25MIL。
2.11)时钟线打线时进去的线和出去的线应该尽量远。尽量避免类似图A和图C所示的打线方式，采用类似图B和图D的打线方式，若时钟线需换层，避免采用图E的打线方式，采用图F的打线方式。
2.12) 时钟线连接BGA等器件时，若时钟线换层，尽量避免采用图G的走线形式,过孔不要在BGA下面走,最好采用图H的走线形式。
2.13) 注意各个时钟信号，不要忽略任何一个时钟，包括AUDIO CODEC的AC_BITCLK，尤其注意的是FS3-FS0,虽然说从名称上看不是时钟，但实际上跑的是时钟，要加以注意。
2.14) Clock Chip上拉下拉电阻尽量靠近Clock Chip。

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36、对于全数字信号的 PCB，板上有一个 80MHz 的钟源。除了采用丝网（接地）外，为了保证有足够的驱动能力，还应该采用什么样的电路进行保护？

确保时钟的驱动能力，不应该通过保护实现，一般采用时钟驱动芯片。一般担心时钟驱动能力，是因为多个时钟负载造成。采用时钟驱动芯片，将一个时钟信号变成几个，采用点到点的连接。选择驱动芯片，除了保证与负载基本匹配，信号沿满足要求（一般时钟为沿有效信号），在计算系统时序时，要算上时钟在驱动芯片内时延。

1. 在实际设计中建议使用实体地和电源层，避免电源和地被分割，这种分割可能导致复杂的电流环路。电流环路越大辐射也越大，所以必须避免任何信号尤其是时钟信号在分割地上布线。 2.将时钟驱动器布局在电路板中心位置而不是电路板外围。将时钟驱动器放置在电路板外围会增加磁偶极矩(magnetic dipole moment)。 3.为了进一步降低顶层时钟信号线的EMI，最好是在时钟线两侧并行布上地线。当然，更好将时钟信号布在地层与电源层之间的内部信号层上。 4.时钟信号使用4mil到8mil的布线宽度，由于窄的信号线更容易增加高频信号衰减，并降低信号线之间的电容性耦合。 5.由于直角布线会增加布线电容并增加阻抗的不连续性，从而导致信号劣化，所以应该尽量避免直角布线和T型布线。 6.尽量满足阻抗匹配。绝大多数情况下，阻抗不匹配会引起反射，而且信号完整性也主要取决于阻抗匹配。 7.时钟信号布线不能并行走得太长，否则会产生串扰从而导致EMI增大。

(13) 时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件

时钟电路之EMC设计

时钟电路在数字电路中占有重要地位，同时时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源。一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的带宽可达160MHz，其可能辐射带宽可达十倍频，即1.6GHz。因此，设计好时钟电路是保证达到整机辐射指标的关键。时钟电路设计主要的问题有如下几个方面。

（1）阻抗控制：计算各种由印制板线条构成的微带线和微带波导的波阻抗、相移常数、衰减常数等等。许多设计手册都可以查到一些典型结构的波阻抗和衰减常数。特殊结构的微带线和微带波导的参数需要用计算电磁学的方法求解。

（2）传输延迟和阻抗匹配：由印制线条的相移常数计算时钟脉冲受到的延迟，当延迟达到一定数值时，就要进行阻抗匹配以免发生终端反射使时钟信号抖动或发生过冲。阻抗匹配方法有串联电阻、并联电阻、戴维南网络、RC 网络、二极管阵等。

（3）印制线条上接入较多容性负载的影响：接在印制线条上的容性负载对线条的波阻抗有较大的影响。特别是对总线结构的电路容性负载的影响往往是要考虑的关键因素。

表达传输线可以采用三种方式：

a、用传输波阻抗（Z0）和传输时延（td）两个参数描述传输线。

b、用传输波阻抗和（与波长有关的）规一化长度描述传输线。

c、用单位长度的电感、电容和印制线的物理长度来描述传输线。

在印制板设计中经常采用第一种方式描述由印制线条构成的传输线。此时，传输时延的大小决定了印制线条是否需要采取阻抗控制的措施；当线条上有很多电容性负载时，线条的传输时延将会增大，与原来的传输时延有如下的关系，为不考虑容性负载时的线条传输时延，C0 为不考虑容性负载时的线条分布电容，lm为无匹配的最大印制线条长度。还有许多其它时钟电路设计问题，如时钟区与其它功能区的隔离，同层板中时钟线条屏蔽等问题。

时钟电路电磁兼容设计技巧

（A）首先要进行恰当的布线，布线层应安排与整块金属平面相邻。这样的安排是为了产生通量对消作用。

（B）其次，时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源一定要单独安排、远离敏感电路。

（C）选择恰当的器件是设计成功的重要因素，特别在选择逻辑器件时，尽量选上升时间比五纳秒长的器件，决不要选比电路要求时序快的逻辑器件。EDA中国门户网站-qS!lW,@G

（D）层间跳线应当最小

图3和图4的情况分别说明两种情况，图3表示的是好的和比较好的时钟布线的层间跳线安排。图4的情形是不允许的情形。

图3：比较好的时钟布线的层间跳线安排

图4：不允许的时钟布线的层问跳线安排

（E）时钟布线的转接安排

时钟布线经连接器输出时，连接器上的插针要在时钟线插针周围布满接地插针，如图5所示。

图5：时钟线插针在连接器上的安排

（F）时钟输出布线时不要采用向多个部件直接串行地连接〔称为菊花式连接〕；而应该经缓存器分别向其它多个部件直接提供时钟信号。

逻辑电路的使用

对在线路设计中所使用的逻辑集成电路的建议是：

•凡是能不用高速逻辑电路的地方就不要用高速逻辑电路。

G0•注意在IC近端的电源和地之间加旁路去耦电容（一般为104）。

s0•注意长线传输过程中的波形畸变。

•用R－S触发器作设备控制按钮与设备电子线路之间配合的缓冲。

隔离敏感信号
有些敏感信号(如高频时钟) 对噪声干扰特别敏感，对它们要采取高等级隔离措施。高频时钟(20MHZ以上的时钟，或翻转时间小于5ns的时钟)必须有地线护送，时钟线宽至少10mil，护送地线线宽至少20mil，高频信号线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触，而且每5cm 打过孔与地层连接;时钟发送侧必须串接一个22Ω～220Ω的阻尼电阻。可避免由这些线带来的信号噪声所产生的干扰。