隨著PC和工作站時(shí)鐘速度的進(jìn)一步提高，電磁輻射干擾也在增強(qiáng)。輻射干擾主要由基頻和低階諧波產(chǎn)生，而這些頻率為主要的無線電FM波段所覆蓋，所以會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾。為了規(guī)范無線通信，相關(guān)管理機(jī)構(gòu)嚴(yán)格限制PC以及任何可能使用時(shí)鐘，并導(dǎo)致發(fā)射的電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射。

諸如時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)等，幾乎任何電信號(hào)的快速信號(hào)沿變化都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。隨著人們對(duì)電子設(shè)備的性能需求越來越高，時(shí)鐘速度也在不斷提高。為了滿足越來越嚴(yán)格的建立時(shí)間和保持時(shí)間需求，信號(hào)的跳變沿變得越來越快。(建立時(shí)間是指時(shí)鐘信號(hào)上升沿之前，數(shù)據(jù)脈沖必須穩(wěn)定建立的時(shí)間，而保持時(shí)間是指時(shí)鐘沿之后數(shù)據(jù)脈沖必須維持穩(wěn)定的時(shí)間。)

時(shí)鐘信號(hào)通常不僅僅只連接到一個(gè)或者兩個(gè)器件上，而是分布在整個(gè)印刷電路板上。時(shí)鐘線上的存儲(chǔ)器和其它負(fù)載的增加都會(huì)導(dǎo)致電磁輻射急劇增強(qiáng)。EMI線性正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方，即EMI＝kIAf2，其中I是電流，A是環(huán)路面積，f是頻率，k是與電路板材料和其它因素有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。

EMI輻射分兩種類型：差模輻射和共模輻射。差模輻射是由PC插卡和主板上信號(hào)線與地之間形成的電流環(huán)路而產(chǎn)生的，該環(huán)路實(shí)際上就是一個(gè)天線，對(duì)外可能產(chǎn)生超出FCC限制的EMI；共模輻射則是由局部地噪聲注入到PC的I/O線或者電纜上而產(chǎn)生的。這些電纜和PCB線通常都很長，因而也構(gòu)成了可以產(chǎn)生輻射的天線。

一直以來，電磁屏蔽是降低EMI最普遍的方法，但是在某些情況下該方案并不可行，這促使設(shè)計(jì)工程師去探索更可行也更有效的方法來減少輻射，擴(kuò)展頻譜的方法就是其中一種很有效的方法。

擴(kuò)展頻譜方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將信號(hào)能量擴(kuò)展到一個(gè)比較寬的頻率范圍上。實(shí)際上，該方法是對(duì)信號(hào)的一種受控的調(diào)制，這種方法不會(huì)明顯增加時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)。實(shí)際中的應(yīng)用證明擴(kuò)展頻譜技術(shù)是有效的，不同的調(diào)制度可以將輻射降低7到20dB。

圖題：單周期、周期間、長時(shí)間抖動(dòng)

擴(kuò)展頻譜的方法主要用于方波信號(hào)。方波信號(hào)包含基頻分量和基頻信號(hào)的奇次諧波分量，能量也分布在基頻信號(hào)和諧波分量中。由于頻譜密度以同頻率成反比的方式滾降，因此諧波能量隨頻率的增加呈級(jí)數(shù)降低。

由于大多數(shù)時(shí)鐘信號(hào)的占空比不是50%，因此具有更大的諧波分量。另外，頻譜同信號(hào)的傅立葉變換有關(guān)，傅立葉變換顯示出信號(hào)在頻域的頻率成分。例如，單一頻率的正弦信號(hào)在頻域中表現(xiàn)為在該頻率上的一個(gè)垂直尖峰。

最嚴(yán)重的輻射通常包含在時(shí)鐘頻率基頻到三次或者五次諧波之中。將基頻能量分布在一個(gè)擴(kuò)展的頻譜上，同樣也將諧波能量分布在一個(gè)更寬的頻率范圍上，這是由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍。擴(kuò)展頻譜方法必須受到控制，使之相對(duì)于時(shí)鐘頻率更慢，確保時(shí)鐘頻率的改變對(duì)系統(tǒng)來說是透明的。時(shí)鐘周期之間以及峰值之間的抖動(dòng)都必須滿足系統(tǒng)規(guī)范要求。

從本質(zhì)上說，擴(kuò)展頻譜是一種以調(diào)制百分比來衡量的調(diào)制方法。例如，0.5%的調(diào)制就表示一個(gè)100MHz的時(shí)鐘信號(hào)在99.5MHz到100.5MHz之間進(jìn)行調(diào)制。由于100MHz的基頻保持在中心頻率上，因此稱為中心0.5%(б)調(diào)制。

擴(kuò)展頻譜方法還必須保證最小時(shí)鐘周期不會(huì)出現(xiàn)沖突。為避免超出系統(tǒng)的最高頻率，時(shí)鐘信號(hào)通常在99.5MHz和100MHz范圍之間掃描變化，該方法稱為向下擴(kuò)展頻譜。在這種情況下，時(shí)鐘頻率的偏離用負(fù)的百分比來衡量，此處為－0.5%(б)擴(kuò)展。

擴(kuò)展頻譜主要用于系統(tǒng)時(shí)鐘。對(duì)于當(dāng)前400MHz的PC，由于高頻時(shí)鐘需要采用特定的電磁輻射消減措施。在Pericom公司的產(chǎn)品中，時(shí)鐘電路具有擴(kuò)展頻譜的能力，例如臺(tái)式電腦應(yīng)用中的PI6C104，以及便攜式應(yīng)用中的PI6C103和102，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中EMI發(fā)射兼容的更高容限。所有Pericom臺(tái)式機(jī)和便攜式PC的時(shí)鐘都具有擴(kuò)展頻譜降低EMI的性能。PI6C104的擴(kuò)展頻譜能力僅提供CPU和PCI的時(shí)鐘調(diào)制，固定時(shí)鐘，如REF以及其它時(shí)鐘(24MHz和48MHz)都不進(jìn)行調(diào)制。

由于使用了I2C的控制方式，Pericom的PC時(shí)鐘提供幾種類型的調(diào)制方式。例如PI6C104可以實(shí)現(xiàn)б值為0.5%、0.9%、1%、-1%、-0.5%和0.25%的調(diào)制，以及不采用調(diào)制(關(guān)閉擴(kuò)展頻譜)，調(diào)制頻率設(shè)置為60 kHz。在調(diào)制頻率為30kHz和60kHz時(shí)，擴(kuò)展頻譜調(diào)制引入的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)很小。

為了解決EMI問題，設(shè)計(jì)工程師還必須遵循一系列的設(shè)計(jì)規(guī)則和方法：

1. 在實(shí)際設(shè)計(jì)中建議使用實(shí)體地和電源層，避免電源和地被分割，這種分割可能導(dǎo)致復(fù)雜的電流環(huán)路。電流環(huán)路越大輻射也越大，所以必須避免任何信號(hào)，尤其是時(shí)鐘信號(hào)在分割地上布線。

2. 將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器布局在電路板中心位置而不是電路板外圍。將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器放置在電路板外圍會(huì)增加磁偶極矩(magnetic dipole moment)。

3. 為了進(jìn)一步降低頂層時(shí)鐘信號(hào)線的EMI，最好是在時(shí)鐘線兩側(cè)并行布上地線。當(dāng)然，最好將時(shí)鐘信號(hào)布在地層與電源層之間的內(nèi)部信號(hào)層上。

4. 時(shí)鐘信號(hào)使用4mil到8mil的布線寬度，由于窄的信號(hào)線更容易增加高頻信號(hào)衰減，并降低信號(hào)線之間的電容性耦合。

5. 由于直角布線會(huì)增加布線電容并增加阻抗的不連續(xù)性，從而導(dǎo)致信號(hào)劣化，所以應(yīng)該盡量避免直角布線和T型布線。

6. 盡量滿足阻抗匹配。絕大多數(shù)情況下，阻抗不匹配會(huì)引起反射，而且信號(hào)完整性也主要取決于阻抗匹配。

7. 時(shí)鐘信號(hào)布線不能并行走得太長，否則會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_從而導(dǎo)致EMI增大。一個(gè)較好的辦法是確保這些線之間的間距不小于線寬。

8. 在設(shè)計(jì)圖形存儲(chǔ)器子系統(tǒng)時(shí)，必須確保時(shí)鐘線遠(yuǎn)離任何PC的I/O連接器，距離保持在至少2.5英寸以上。這些連接器包括并行口、串行口、鍵盤連接器和監(jiān)視器連接器等。在I/O連接器周圍設(shè)置地隔離溝的方式可以將共模輻射限制到最小。對(duì)于高頻共模輻射的抑制，推薦使用具有合適阻抗特性的鐵氧體器件，由于鐵氧體的阻抗隨頻率而變化，在高頻區(qū)域鐵氧體的特征更接近一個(gè)電阻而不是電感，并且鐵氧體的電阻損耗可用于消除輻射。

9. 對(duì)外部或內(nèi)部時(shí)鐘源使用Vdd去耦電容可以降低EMI，去耦電容的布局對(duì)于降低時(shí)鐘源器件封裝的發(fā)射來說非常重要，所有電容都應(yīng)該布局在離Vdd管腳20mil的范圍以內(nèi)。去耦電容的值是根據(jù)電容的諧振頻率來定，對(duì)于時(shí)鐘發(fā)生器較高的頻率而言，100pF左右的電容比較合適。

10. 縮短高頻信號(hào)布線長度以及減小電流環(huán)路面積可有效抑制EMI。同時(shí)，在時(shí)鐘源上設(shè)置RC濾波器來控制上升和下降時(shí)間可降低EMI，因?yàn)檩^慢的上升和下降時(shí)間產(chǎn)生較低的發(fā)射頻率。

11. 確保時(shí)鐘芯片的電源管腳緊鄰地管腳可以使電源環(huán)路最小化。使電源和地管腳引線并行而且互相靠近，這樣可以有效地降低EMI。

12. 當(dāng)信號(hào)噪聲源不能消除時(shí)，采用濾波器可以有效地實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。EMI濾波器以及鐵氧體磁珠是最常用的濾波器，鐵氧體磁珠通過增加電感來抑制高頻分量。

采用EMI濾波器消除高頻噪聲

EMI濾波器可以消除電源線上的高頻噪聲，這種濾波器可以在市場買到。EMI濾波器不僅阻止噪聲進(jìn)入系統(tǒng)，而且也會(huì)阻止系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲影響系統(tǒng)中的其它部分，具有雙向效果。EMI濾波器的構(gòu)成可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)電阻來確定：高阻抗節(jié)點(diǎn)要求使用電容，而低阻抗節(jié)點(diǎn)要求使用電感。

EMI濾波器的結(jié)構(gòu)還可以是旁路電容、L電路、π型電路和T型電路，采用旁路電容的唯一器件就是電容器，當(dāng)連接到濾波器的阻抗很高時(shí)采用旁路電容是一種很好的選擇。

除了時(shí)鐘電路以外，高速器件也會(huì)產(chǎn)生更多的高頻噪聲，這是因?yàn)檩^短的信號(hào)跳變時(shí)間會(huì)使信號(hào)在高頻范圍上有更多的能量?？傊?，擴(kuò)展頻譜方法提高了系統(tǒng)EMI性能，可以加速產(chǎn)生信號(hào)干擾的產(chǎn)品上市，并且降低封裝和屏蔽方面的成本。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該使用所有可能的方法和設(shè)計(jì)規(guī)則來降低EMI。