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所有会产生电压频率信号的电子组件都是潜在的电磁波干扰（EMI）的来源，这些电磁波信号将会影响如收音机、电视或移动电话等电子产品的正常运作。大多数系统中产生电磁波噪声的主要来源是系统时钟的产生与分配电路，本文将探讨电磁波干扰产生的原因、如何测量电磁波干扰及如何降低电磁波干扰带来的影响。
电磁波发生的原理以物理学来说明，当带负电荷的电子在电场中移动时会产生电磁场，因此只要电路中有电流信号存在，就会形成电磁波。不过电磁波为什么会影响电子设备呢？为什么计算机的CPU运作频率会干扰收音机或无线电话呢？以收音机为例，通常无线电台的运作频率在88MHz~?108MHz，波段与波段之间必须有200KHz的空隔以避免相互干扰，为了清晰的接收远方电台的信号，收音机装置了高增益的接收放大电路以拾取微弱的电波信号。
个人计算机中的PCI总线与芯片组之间，通常使用33.3MHz的频率来作为同步时钟，跟随33.3MHz?的基础频率，同时会发生一系列的谐波频率（谐波频率是以基础频率为倍数发生），例如第三次谐波的频率为99.9MHz，恰巧落在收音机的工作频段内，若是个人计算机附近正好有收音机频率调谐到99.9MHz，就会受到个人计算机EMI的干扰而产生噪声。
世界各国为了防止此类电子产品发出来的电磁波干扰，纷纷设立专责机构并制定条文作为产品制造的规范，目的都在限制电子产品的电磁波，在特定距离量测特定波段中的强度，保证在规定的信号强度标准以下。
电磁波的形成
在高速数字电子产品中，时钟产生器因长时间运作在固定的频率上，使电磁波能量不断累积到极高的水平；其余变动的、异步的信号则不会造成如同时钟电路这么高的电磁波干扰。因此时钟信号成为主要造成电磁波干扰的来源，时钟会因其本身信号稳定震荡的特性，或是信号终结不够妥善，会产生大量的EMI，这些电磁波能量将透过类似天线的结构对外散发出去。天线会以各种不同形式存在，譬如印刷电路板上的线路、跳线、没有适当屏蔽的组件、连接器、缆线或是没有妥善的接地装置。
为了获得更快运算速度，电子产品不断提高系统工作的时钟频率，信号变换速度也随之提高。但信号波形的上升与下降速度加快，将使电磁波辐射的能量大幅增加。图1显示两个具有相同频率、振幅、相位与工作周期的信号，两者唯一的差别在于在信号的转换率。具有较快波形上升与下降速度的信号，测量出来的电磁辐射能量将高于波形转换速度较慢者。
图1 不同信号转换率对信号波形的影响（略）
第二个会造成电磁波的因素为电路中信号路径不正确的终结。若是终端阻抗不匹配，波形就会形成上缘凸起或下缘陷落的状况，使电磁波辐射的能量增强。视信号波形凸起或陷落程度的多寡，每个信号或节点可比正常的情况增加约3?~?4?dB的电磁波辐射，若同时有数十个信号或节点发生信号凸起的情形，想要通过FCC测试则根本不可能。图2-(a)显示不正确的信号终结所造成的凸起与陷落；图2-(b)为正确的信号终结状态，有着较图2-(a)低的EMI。
如何测量电磁波
通常测量EMI的方式是将受测的产品放置在一个受控制的环境中，例如无电磁波回声室或开放空间测试场所?测量由产品中辐射出来的电磁波强度，与FCC等单位所规定的限制值相比较。在1975年时，FCC规定所有在产品功能上并非有意发出电磁波的设备，所辐射的电磁波强度，在特定的距离与频率测量时，不得超过FCC所规定的最大能量。
FCC主要对辐射强度分成两大种类的标准，Class?A与Class?B。Class?A标准适用的产品类型为“数字设备标示为商业、工业或办公场合用途，并不得在公众场所与家庭内所使用”，Class?B标准的适用产品则为“数字产品标示为家庭使用，但也可以适用于其它场合”。Class?B标准较Class?A严格许多；表1显示FCC?Class?A与Class?B的规格标准。
图2 信号终结状态示意（略）
表1 FCC的Class“A”与Class“B”的规格（略）
当测试实验室完成受测产品的测量后，报告中的图表可显示出频率范围由30MHz到1000MHz的辐射能量强度。若是辐射能量强度的极大值低于上表中FCC对每个频段辐射强度的规范，则此产频就符合FCC的标准；若是某个频率中的极大值超过FCC的标准，产品就必须进行修改或重新设计以降低电磁波辐射的强度。
减少电磁波辐射
有几种方法可以降低数字产品电磁波辐射的问题，工程师可以选择为产品加上屏蔽的处理、对信号加上滤波器或是减低散发电磁波组件的功率。第一种加上屏蔽的方式，并非对电路上，而是一种在机械结构上的解决方案，利用金属材质的封装，将EMI封闭在产品内部，不致泄漏出来。这种方法在过去经常用来对抗EMI，但通常会大幅增加产品制造成本，并且若是问题发生在产品即将上市的时期，将无法及时修改机壳的设计以符合EMI测试标准。
其它如滤波器与降低组件功率的方法，则是试图找出发射电磁波的源头，将其隔离出来。利用无电磁波回声室之类的测试场所，测量出超过辐射强度规定的特定电波频率，锁定这个频率或其谐波频率，即可判别出是哪一条时钟电路造成的电磁波辐射。确定之后，首先必须确保所有的信号线都有妥善的终结，其次分析该条时钟信号是否有波形凸起或陷落的现象，并适当的调整终端电阻的阻抗，使波形尽量保持平缓。
若仍旧无法降低EMI水平，则再检查该时钟信号的波形转换速度，尽量选用转换速度较低的组件。许多时钟缓冲器同时具备高、低两种转换速度以供选择，这两种形式缓冲器的脚位大多相同，可以互换；或是具备可程序化的波形变化斜率，使工程师可依系统需求自行设定波形转换速度。在系统可以接受的状态下，采用较低的转换速度将减少电磁波的辐射，并不会对产品的生产成本造成太大的影响。
若无法以低转换速度组件替换时，滤波是最常用来降低信号波形的边缘速度的方法，也就是在信号路径中加上5到15pF的电容器，用以平缓信号的边缘速度。通常工程师会在电路设计中，靠近信号源头的位置，预留这些电容器的安装位置，到发生EMI问题时，再将电容器装置上去。若时钟电路采用串接式的终端电阻，滤波电容器装在电阻的两侧皆可，但为了获得最佳的信号终结与保持信号的完整性，滤波电容建议装在终端电阻之后靠信号来源的这一侧，如图3所示。
图3 滤波电容器的安装示意（略）
虽然加上滤波电容可以有效的降低EMI，也有其缺点存在：降低了信号的完整性，将原本轮廓鲜明、波缘转折明确的高速时钟信号，转变为波缘平滑的信号，使组件不易准确的锁定信号时序；并且在每个时钟信号的分布都需加上滤波电容器，会提高产品制造成本。
时钟频率展频
另一种降低电磁波辐射的方法为时钟调变。时钟调变又称做展频，最早于1995年时开始使用于计算机系统中，而现在几乎所有的个人计算机都设计有时钟展频的功能，用以降低EMI的发生。时钟展频可称的上是目前最能经济有效降低EMI的解决方案。
展频的工作原理，是将原本固定不变的时钟频率，以一定的周期，规律小幅度的调变时钟频率，使系统产生的电磁波辐射能量，平均散布于一段频率范围内，以免超过法规的标准。而且以原始时钟频率0.5%到5%的范围内，小幅调整运作频率，对于使用者而言，几乎无法察觉出展频前后有什么不同之处。若以原始时钟频率为中心进行展频，系统平均的运行效率完全不会受到展频的影响。
时钟展频降低EMI的程度，受调变方式、频率变动比率与调变速率这三个参数影响。展频的调变方式可以有许多种选择，像是线性调变、正弦波调变与Lexmark曲线调变等，目前证实能最有效降低EMI的调变方式，就属Lexmark曲线调变了，如下图4所示。
图4 Lexmark曲线调变之波形（略）
由图4的范例所示，原始频率为65MHz，展频调变后输出频率分布范围从最低的63.797MHz到最高的66.311MHz，这个例子因基础频率上下展频的比例相等，又称做“中央展频”。请注意Lexmark展频方式，在基础频率附近时，频率的变动较缓和；而在接近最高与最低频率时，频率的变动较剧烈。
展频的频宽可用时钟的最高频率减去最低频率而得，
BW = FMAX - FMIN
而一般会以展频频宽除以原始频率来表示时钟展频的程度，
BW% = ( BW / FREF ) 100%
以前例而言，
BW = 66.311MHz - 63.797MHz = 2.541MHz
BW% = ( 2.541MHz / 65MHz ) 100% = 3.87%
这个65MHz的时钟在展频前后EMI的变化，可以使用频谱显示器观察出来，图5中未经展频的时钟在65MHz的附近展现出极窄的频率范围，也较邻近频率带有极高的能量峰值；相比之下，经过展频后的时钟，虽然中央频率仍旧是65MHz，但频率范围较宽，连带使能量平均分布在整个展频频宽当中，使电磁波辐射的强度在65MHz峰值处降低了6.48dB。
最后一个影响EMI降低值的为展频的调变速率，这个速率是指展频方式重复的频率速度，在图5的Lexmark曲线范例中，调变速率为27.86KHz。一般调变的速度介于20KHz到200KHz之间，若是调变速度低于20KHz，有可能在系统中产生人耳可以听到的脉冲杂音；若调变速度高于200KHz，时钟下游串接的PLL回路即可能因为组件频宽不足，无法锁定时钟频率而使系统失效。
图5 原始频率为65MHz之下展频前后的EMI变化（略）
展频系统中其余组件的时钟跟随
时钟展频能够很容易的整合至系统的时钟电路设计中，并有效降低系统电磁波峰值的产生。但在另一方面，若电路中的展频时钟电路之后，设计了其它的锁相回路，并利用展频的时钟来做为这些锁相回路的信号来源，在设计上就必须特别注意了。因为展频对系统的时钟进行不断的调变，下游的锁相回路组件必须能够快速的反应，追随这些频率变动，此时若是锁相回路的频宽不足，就容易产生时钟追踪的歪斜，造成系统时钟抖动的增加。工程师们必须确定电路中所有的锁相回路组件都能够正确的追踪展频时钟频率的变动，若这些串接的锁相回路做为时钟电路缓冲器中的组成部分，可以采用像是Spread?Aware这一类专为展频电路所设计并测试合格的时钟组件。
结语
目前的时钟电路运作频率极高，容易产生电磁波噪声，当电磁波的强度超过一定的程度时，将产生不可预期的影响，不可不注意预防。目前已有许多以机械结构或是改变电路布局方式的电磁波干扰防治解决方案，但是这些解决方案都耗时费事，若能在电路设计上的小细节多加留意，就可以有效的预防电磁波噪声的产生。
时钟信号若是没有妥善的被终结，或是时钟组件具有快速的瞬时特性，都会产生大量的电磁波噪声。若要控制电磁波噪声的产生，必须考虑下列几项原则：
●妥善的终结所有的时钟信号
●尽量采用波缘上升速度较低的时钟缓冲组件
●在信号线路中采用滤波电容器
●在高速的电路中采用展频时钟组件
只要在电路设计上遵守这些简单的规则，就可以以最低的成本，有效的控制电磁波噪声的产生，提高产品的竞争力。
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