過(guò)去幾十年，越來(lái)越多的應(yīng)用采用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)字系統(tǒng)很容易實(shí)施，但隨著信號(hào)速度的增加，實(shí)施的復(fù)雜性也不斷增加，尤其是在時(shí)鐘同步，建立和保持時(shí)間，抖動(dòng)等方面。
上述問(wèn)題不但影響系統(tǒng)本身的功能，而且當(dāng)高頻器件運(yùn)行在附近時(shí)還會(huì)造成電磁干擾(EMI)。如圖1所示，電視機(jī)受到由DVD播放器引起的EMI。
外部的電磁傳導(dǎo)或輻射會(huì)引起EMI，這可能會(huì)降低電子系統(tǒng)的性能，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障�？刂艵MI已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨的首要問(wèn)題。
圖1：電視接收受到電磁干擾。
在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，遇到的主要問(wèn)題都直接或間接與時(shí)鐘有關(guān)。高頻、高壓擺率以及其周期特性(占空比通常為50%)導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)成為EMI的主要來(lái)源。
此外，信號(hào)速度增加會(huì)產(chǎn)生更高的電磁輻射。為了控制輻射，全球范圍有幾個(gè)管理各種EMI標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)，以確保電子設(shè)備不會(huì)對(duì)其他設(shè)備的功能造成影響。
這些機(jī)構(gòu)規(guī)定了允許的輻射上限，而輻射上限根據(jù)每個(gè)國(guó)家的具體情況可能有所變動(dòng)。允許的最大輻射并不是指平均輻射，而是輻射峰值。任何信號(hào)頻率違反這個(gè)規(guī)定都會(huì)導(dǎo)致一致性測(cè)試失敗。
有多種方式可以解決EMI問(wèn)題和減少輻射，包括屏蔽、濾波、隔離、鐵氧體磁珠、控制壓擺率，以及增加電源層和地層進(jìn)行更好的PCB布線，這些方法可以單獨(dú)或多種結(jié)合使用。
屏蔽是一種機(jī)械的方法，看似簡(jiǎn)單但很昂貴，不適合便攜設(shè)備。濾波和降低壓擺率在低頻信號(hào)可能有效，但不適合如今的信號(hào)傳輸速度。而精密PCB布局技術(shù)，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)往往很耗時(shí)，同時(shí)這也意味著一種布局技術(shù)僅適用于單一系統(tǒng)，很難移植。
另一種可有效降低EMI輻射的方法是擴(kuò)頻時(shí)鐘。本文將詳細(xì)探討如何利用擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器(SSCG)減少EMI輻射。
擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器
通過(guò)擴(kuò)頻時(shí)鐘，窄帶時(shí)鐘信號(hào)集中的能量可以分散在更大的帶寬，從而減小輻射峰值。可通過(guò)控制頻率變化(?f)和調(diào)制速率來(lái)對(duì)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘進(jìn)行頻率調(diào)制以更直觀地顯示擴(kuò)頻時(shí)鐘，調(diào)制后的輸出時(shí)鐘在兩個(gè)固定頻率點(diǎn)間以一定的速度反復(fù)掃頻，如圖2所示。
圖2：時(shí)鐘信號(hào)頻率調(diào)制和降低EMI抑制。(左：調(diào)制的時(shí)鐘信號(hào)；右：輸出頻譜)
由于信號(hào)的總能量不變，并分散在更大頻率范圍內(nèi)，所以其中所有頻率的峰值都降低了。頻帶越寬，峰值降低越多。該技術(shù)可以將EMI峰值減少約2dB至18dB。這種可以產(chǎn)生擴(kuò)頻時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器即稱(chēng)為擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。
擴(kuò)頻技術(shù)的最大好處是同時(shí)調(diào)制了來(lái)自同一時(shí)鐘源并與之同步的其他時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的EMI。此外，該技術(shù)還降低了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的可移植性。
傳統(tǒng)的數(shù)字時(shí)鐘的Q值很高，這意味著該頻率的所有能量都集中在一個(gè)非常窄的帶寬中，這會(huì)導(dǎo)致能量峰值更高。從頻譜密度來(lái)看，在中心頻率有一個(gè)最高的窄峰值，其他的峰值位于諧波頻率兩側(cè)。
擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器通過(guò)增加時(shí)鐘帶寬和降低Q值的方法來(lái)降低時(shí)鐘的峰值能量。擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器采用窄帶數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)作為輸入，產(chǎn)生一個(gè)輸出時(shí)鐘。輸出時(shí)鐘在可控開(kāi)始和停止頻率之間以特定的調(diào)制速率掃頻。實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)鐘頻率通常經(jīng)過(guò)30千赫至120千赫的調(diào)制頻率調(diào)制。該調(diào)制頻率要遠(yuǎn)高于音頻，以避免任何音頻干擾，并避免系統(tǒng)遇到跟蹤(如建立，保持)問(wèn)題。
EMI的減少與時(shí)鐘的擴(kuò)頻量成正比。擴(kuò)頻量通常量化為百分比，定義為頻率變化(Δf)和目標(biāo)頻率(fo)的比率。圖3顯示了不同擴(kuò)頻量下的EMI輻射。
圖3：EMI隨擴(kuò)頻量增加而降低。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，很多問(wèn)題是由基本頻率的諧波產(chǎn)生的。而擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器不僅可以減少基本時(shí)鐘頻率的EMI，還降低了諧波頻率的輻射。事實(shí)上，能量衰減在高次諧波峰值比在基頻更顯著。原因在于，使用固定的擴(kuò)頻量，較高頻率的頻帶會(huì)變得更寬，因此可以減少更多的輻射能量。如圖4所示。
圖4：EMI減少量與諧波的關(guān)系(Fc=50MHz)。
在擴(kuò)頻技術(shù)中，擴(kuò)頻波形的選擇對(duì)于減少峰值能量數(shù)量至關(guān)重要。擴(kuò)頻波形是指調(diào)制信號(hào)(擴(kuò)頻時(shí)鐘)頻率隨時(shí)間變化的曲線。三角波看似容易實(shí)現(xiàn)，但頻譜使用這種波形出現(xiàn)了高于中心部分約1-2dB的旁瓣，如圖5所示。
圖5： 三角波和Hershey Kiss波比較。(a：線性擴(kuò)頻波形和輸出頻譜；b：Hershey Kiss波和輸出頻譜)
圖5： 三角波和Hershey Kiss波比較。(a：線性擴(kuò)頻波形和輸出頻譜；b：Hershey Kiss波和輸出頻譜)
如上文所述，設(shè)備中即使只有一個(gè)頻率器件超出最大允許輻射的限制，這個(gè)設(shè)備也不能通過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)。采用三角形調(diào)制波，頻譜的旁瓣包含了峰值輻射，有可能在某個(gè)操作條件下違反規(guī)范。
使用“Hershey Kiss”波可以得到一個(gè)近乎平坦的頻譜，可以更好地抑制EMI(如圖5)。Hershey Kiss波擁有與眾不同的外形，時(shí)鐘頻率以較高速度在起始和結(jié)束頻率附近掃頻，在中心頻率慢下來(lái)。因?yàn)閮蓚�(gè)邊界點(diǎn)附近頻率變化率越高，旁瓣削減得越厲害，使得減少的能量分布在頻譜中心部分，整個(gè)能量頻譜變得近乎平坦。如圖所示，Hershey Kiss波可以進(jìn)一步降低1.13 dB的EMI。在實(shí)際頻率中，這個(gè)值可減少更多。
擴(kuò)頻類(lèi)型
根據(jù)起始和停止頻率相對(duì)于參考頻率的位置，擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器可分為以下三種類(lèi)型：
下擴(kuò)頻：向下調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)鐘，把調(diào)制信號(hào)的最大頻率限制在基準(zhǔn)時(shí)鐘以下。適用于頻率比較敏感，已經(jīng)運(yùn)行于最大速度等應(yīng)用。下擴(kuò)頻在保持系統(tǒng)允許的最高頻率下提供了擴(kuò)頻時(shí)鐘。
公式1和公式2
中心擴(kuò)頻：調(diào)制輸出時(shí)鐘和基準(zhǔn)時(shí)鐘至中心對(duì)稱(chēng)(即輸出頻率會(huì)在中心頻率上下方增加和減少相同數(shù)量)。1%的中心擴(kuò)頻將產(chǎn)生2%的變化，1%變化在參考頻率上面，1%變化在參考頻率下面。中心擴(kuò)頻在系統(tǒng)適用于沒(méi)有頻率限制的地方。
公式3和公式4
上擴(kuò)頻：上擴(kuò)頻和下擴(kuò)頻相反�；鶞�(zhǔn)時(shí)鐘向下調(diào)制，限制調(diào)制信號(hào)的最低值要高于基準(zhǔn)時(shí)鐘。
公式5和公式6
使用擴(kuò)頻時(shí)鐘的注意事項(xiàng)
1. 抖動(dòng)
使用擴(kuò)頻時(shí)鐘的主要缺點(diǎn)之一是，它不能用于對(duì)時(shí)鐘精度要求高的系統(tǒng)，例如以太網(wǎng)或CAN總線。工程師必須特別仔細(xì)地根據(jù)應(yīng)用需求選擇擴(kuò)頻時(shí)鐘和擴(kuò)頻數(shù)，因?yàn)檫@可能給時(shí)鐘信號(hào)引入實(shí)質(zhì)性的抖動(dòng)。這種抖動(dòng)可能會(huì)影響系統(tǒng)性能，破壞建立時(shí)間和保持時(shí)間、帶來(lái)更高的誤碼率以及產(chǎn)生鎖相環(huán)解開(kāi)等問(wèn)題。抖動(dòng)有不同類(lèi)型，會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。
周期抖動(dòng)(PJ)：是指時(shí)鐘輸出和其理想位置的最大變化。周期抖動(dòng)通常測(cè)量的是一段時(shí)間內(nèi)峰峰值的周期變化，通常為一萬(wàn)個(gè)周期，它只是簡(jiǎn)單的表示最早和最后沿之間的差別。該抖動(dòng)會(huì)減少時(shí)序預(yù)算，從而影響系統(tǒng)同步性能。時(shí)鐘周期和其理想位置的變化也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)建立時(shí)間和保持時(shí)間的錯(cuò)誤。
一個(gè)100MHz時(shí)鐘信號(hào)向上調(diào)制1%后總頻率變化(Δf)為1MHz，起始頻率為100MHz，終止頻率為101MHz。這相當(dāng)于周期從9.9ns變化到了10ns。結(jié)果是，理想的擴(kuò)展時(shí)鐘峰峰周期抖動(dòng)會(huì)有0.1ns(100ps)。由于擴(kuò)頻數(shù)增加或時(shí)鐘頻率增加使擴(kuò)頻保持固定，總頻率變化按比例增加，因此周期抖動(dòng)可能會(huì)干擾某些時(shí)序參數(shù)。
需注意，這里提到的周期抖動(dòng)是僅僅由擴(kuò)頻時(shí)鐘引入的。設(shè)備本身可能會(huì)增加其自身的內(nèi)在抖動(dòng)，使總抖動(dòng)高于以上的估計(jì)。設(shè)備的內(nèi)在抖動(dòng)可以通過(guò)關(guān)閉擴(kuò)頻來(lái)測(cè)量。
長(zhǎng)期抖動(dòng)(LTJ)：是指經(jīng)過(guò)很多周期后時(shí)鐘輸出和其理想位置的最大變化。長(zhǎng)期抖動(dòng)只出現(xiàn)在一些特定應(yīng)用中，對(duì)于在時(shí)鐘沿可以顯著的從理想位置及時(shí)轉(zhuǎn)移的擴(kuò)展頻譜來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大影響。有長(zhǎng)期抖動(dòng)問(wèn)題的典型例子就是圖形卡的顯示驅(qū)動(dòng)：過(guò)多的長(zhǎng)期抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致像素?cái)?shù)據(jù)在一段時(shí)間后從它的理想位置移位了。
周期間抖動(dòng)(CTCJ)：是另一種類(lèi)型的抖動(dòng)，定義為時(shí)鐘輸出相對(duì)于之前一個(gè)周期的變化。在大多數(shù)通信系統(tǒng)和ADC電路中，輸入信號(hào)需嚴(yán)格按照特定數(shù)據(jù)采樣并根據(jù)采樣值進(jìn)行數(shù)字化，需避免周期間抖動(dòng)。
采樣時(shí)鐘里的周期間抖動(dòng)可能會(huì)引起輸入采樣偏離理想值，從而導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)比特誤差。實(shí)際上，擴(kuò)頻時(shí)鐘給時(shí)鐘引入的周期間抖動(dòng)很少。在非常慢的調(diào)制速率下，30 kHz至120 kHz之間(這相對(duì)于參考時(shí)鐘頻率至少是慢1,000倍)需花一千多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成一個(gè)調(diào)制周期，從而相鄰周期之間的差異可以忽略不計(jì)。
然而，器件本身可能增加其內(nèi)在的周期間抖動(dòng)到輸出時(shí)鐘。擴(kuò)頻技術(shù)給系統(tǒng)帶來(lái)的周期抖動(dòng)少于0.05%。因此，擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器非常適合于低周期抖動(dòng)，低誤碼率以及低電磁干擾的系統(tǒng)。
2. 鎖相環(huán)擴(kuò)頻
當(dāng)擴(kuò)頻時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下行鎖相環(huán)時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意。鎖相環(huán)擁有低通濾波器的特性，通過(guò)低速變化的輸入頻率，過(guò)濾高于其帶寬的高頻變化。
由于擴(kuò)展頻譜目的是調(diào)制時(shí)鐘，鎖相環(huán)可能難以保持輸入擴(kuò)頻時(shí)鐘鎖定。下行鎖相環(huán)必須能夠跟蹤頻率變化以通過(guò)調(diào)制后的時(shí)鐘。這將取決于鎖相環(huán)的帶寬。如果鎖相環(huán)帶寬太低，鎖相環(huán)將不能可靠地跟蹤輸入信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致跟蹤偏差，從而增加更多抖動(dòng)到系統(tǒng)里。
可編程SSCG
可編程能力提供了靈活性和方便的庫(kù)存管理。選擇可編程時(shí)鐘生成器芯片如可配置驅(qū)動(dòng)能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能容易地根據(jù)應(yīng)用要求來(lái)改變時(shí)鐘沿的驅(qū)動(dòng)能力(上升/下降時(shí)間)。有助于進(jìn)一步減少EMI。
市場(chǎng)上已有很多可編程擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器可供選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以改變很多參數(shù)，例如擴(kuò)頻量、擴(kuò)頻波形、擴(kuò)頻開(kāi)/關(guān)、擴(kuò)頻類(lèi)型與輸出時(shí)鐘頻率。可編程擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可將多種/單一可編程頻率輸出整合到一顆單芯片，降低了總體成本。根據(jù)應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以使用一個(gè)擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)為各子系統(tǒng)提供不同的時(shí)鐘，從而可以更快進(jìn)入市場(chǎng)并降低成本。 |
