RE時(shí)鐘高次諧波解決方案

時(shí)鐘信號(hào)是時(shí)序邏輯的基礎(chǔ)，它作為數(shù)字電路系統(tǒng)的心臟，在數(shù)字電路中具有重要意義。時(shí)鐘信號(hào)在數(shù)字系統(tǒng)中并非完美的方波，其快速邊沿（上升/下降時(shí)間）包含了極其豐富的高次諧波成分。這些高次諧波雖然對數(shù)字電路的邏輯功能沒有直接影響，但在電磁兼容（EMC）和信號(hào)完整性（SI）中帶來了顯著的危害與痛點(diǎn)。

二時(shí)鐘高次諧波解決方案

針對這種高次諧波的時(shí)鐘最有效的手段就是展頻技術(shù)（SSC）。

展頻技術(shù)是讓時(shí)鐘頻率在極小的范圍內(nèi)周期性調(diào)制，將能量分散到更寬頻帶，從而達(dá)到降低尖峰能量。展頻技術(shù)可以讓我們從源頭去解決時(shí)鐘噪聲問題，針對時(shí)鐘的高次諧波效果更好，每次諧波展頻抑制效果都會(huì)得到加強(qiáng)。

圖2 展頻效果

現(xiàn)在很多SOC芯片方案都能支持軟件展頻，通過軟件設(shè)置對時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從而達(dá)到展頻效果。但從很多客戶反饋來看，軟件展頻的效果都不盡人意，從而導(dǎo)致很多工程師對展頻技術(shù)失去了信心。

目前比較主流的還是使用硬件展頻去針對時(shí)鐘，而硬件展頻一種是展頻IC針對主時(shí)鐘（晶振信號(hào)）進(jìn)行展頻后提供給主控；另一種就是展頻晶振，它會(huì)帶展頻效果的有源晶振，可以直接輸出帶展頻效果的時(shí)鐘信號(hào)給主控。

圖3 展頻IC與展頻晶振

這次分享的是一個(gè)車機(jī)與中控屏一套的產(chǎn)品，下圖是摸底數(shù)據(jù)：

產(chǎn)品測試問題點(diǎn)在1G以上的頻段，頻點(diǎn)為1597M。通過排查我們發(fā)現(xiàn)只要插了視頻線就會(huì)存在這個(gè)頻點(diǎn)，然后近場頻譜測試把問題鎖定在SOC輸出的視頻信號(hào)到串行器 (SERializer)這一部分存在對應(yīng)頻點(diǎn)。

針對這里的視頻走線信號(hào)進(jìn)行了RC濾波、屏蔽等措施都沒有效果，發(fā)現(xiàn)就算在這一段濾波抑制下來的能量會(huì)被串行器 (SERializer)進(jìn)行增強(qiáng)后串行傳輸出去，導(dǎo)致濾波等措施沒有效果。

既然從數(shù)據(jù)傳輸路徑去抑制沒有效果，那就只能從時(shí)鐘源頭去抑制，就用上我們的展頻晶振產(chǎn)品demo對SOC的參考時(shí)鐘27M無源晶振進(jìn)行替換驗(yàn)證。

【分析】：

從源頭時(shí)鐘進(jìn)行展頻，所有參考此時(shí)鐘的時(shí)鐘信號(hào)都會(huì)有展頻效果，其高次諧波的時(shí)鐘信號(hào)展頻效果更優(yōu)，能量強(qiáng)度抑制更好。串行器 (SERializer)接收到的也是展頻過后的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)因?yàn)樗邮盏降臅r(shí)鐘信號(hào)高次諧波的能量強(qiáng)度更低，就算經(jīng)過串行器增益過后的能量強(qiáng)度也不會(huì)太高。

四總結(jié)

時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波是數(shù)字系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)中的”隱形殺手”。其危害主要在于逐漸嚴(yán)格要求的電磁輻射和傳導(dǎo)干擾測試標(biāo)準(zhǔn)中導(dǎo)致產(chǎn)品認(rèn)證失敗、系統(tǒng)性能下降甚至功能失效。在高速信號(hào)時(shí)代，時(shí)鐘設(shè)計(jì)、電路選擇、PCB布局布線、電源設(shè)計(jì)、屏蔽濾波等多個(gè)環(huán)節(jié)采取綜合措施，并在性能和EMC之間找到最佳平衡點(diǎn)，這是一個(gè)持續(xù)性的挑戰(zhàn)。