過去幾十年，越來越多的應(yīng)用采用數(shù)字化方式實現(xiàn)。數(shù)字系統(tǒng)很容易實施，但隨著信號速度的增加，實施的復(fù)雜性也不斷增加，尤其是在時鐘同步，建立和保持時間，抖動等方面。
上述問題不但影響系統(tǒng)本身的功能，而且當(dāng)高頻器件運行在附近時還會造成電磁干擾(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)或輻射會引起EMI，這可能會降低電子系統(tǒng)的性能，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。控制EMI已成為電子系統(tǒng)設(shè)計者面臨的首要問題。
圖1：電視接收受到電磁干擾。
在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，遇到的主要問題都直接或間接與時鐘有關(guān)。高頻、高壓擺率以及其周期特性(占空比通常為50%)導(dǎo)致時鐘信號成為EMI的主要來源。
此外，信號速度增加會產(chǎn)生更高的電磁輻射。為了控制輻射，全球范圍有幾個管理各種EMI標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)，以確保電子設(shè)備不會對其他設(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)每個國家的具體情況可能有所變動。允許的最大輻射并不是指平均輻射，而是輻射峰值。任何信號頻率違反這個規(guī)定都會導(dǎo)致一致性測試失敗。
有多種方式可以解決EMI問題和減少輻射，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，這些方法可以單獨或多種結(jié)合使用。
屏蔽是一種機(jī)械的方法，看似簡單但很昂貴，不適合便攜設(shè)備。濾波和降低壓擺率在低頻信號可能有效，但不適合如今的信號傳輸速度。而精密PCB布局技術(shù)，對于工程師來說往往很耗時，同時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)頻時鐘。本文將詳細(xì)探討如何利用擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器(SSCG)減少EMI輻射。
擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器
通過擴(kuò)頻時鐘，窄帶時鐘信號集中的能量可以分散在更大的帶寬，從而減小輻射峰值。可通過控制頻率變化(?f)和調(diào)制速率來對輸入?yún)⒖紩r鐘進(jìn)行頻率調(diào)制以更直觀地顯示擴(kuò)頻時鐘，調(diào)制后的輸出時鐘在兩個固定頻率點間以一定的速度反復(fù)掃頻，如圖2所示。
圖2：時鐘信號頻率調(diào)制和降低EMI抑制。(左：調(diào)制的時鐘信號；右：輸出頻譜)
由于信號的總能量不變，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)頻時鐘的時鐘發(fā)生器即稱為擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器。
擴(kuò)頻技術(shù)的最大好處是同時調(diào)制了來自同一時鐘源并與之同步的其他時鐘、數(shù)據(jù)、地址和控制信號，從而降低了整個系統(tǒng)的EMI。此外，該技術(shù)還降低了系統(tǒng)成本，實現(xiàn)了不同系統(tǒng)間的可移植性。
傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘的Q值很高，這意味著該頻率的所有能量都集中在一個非常窄的帶寬中，這會導(dǎo)致能量峰值更高。從頻譜密度來看，在中心頻率有一個最高的窄峰值，其他的峰值位于諧波頻率兩側(cè)。
擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器通過增加時鐘帶寬和降低Q值的方法來降低時鐘的峰值能量。擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器采用窄帶數(shù)字時鐘信號作為輸入，產(chǎn)生一個輸出時鐘。輸出時鐘在可控開始和停止頻率之間以特定的調(diào)制速率掃頻。實際應(yīng)用中，時鐘頻率通常經(jīng)過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)問題。
EMI的減少與時鐘的擴(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，很多問題是由基本頻率的諧波產(chǎn)生的。而擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器不僅可以減少基本時鐘頻率的EMI，還降低了諧波頻率的輻射。事實上，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(擴(kuò)頻時鐘)頻率隨時間變化的曲線。三角波看似容易實現(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)備中即使只有一個頻率器件超出最大允許輻射的限制，這個設(shè)備也不能通過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，有可能在某個操作條件下違反規(guī)范。
使用“Hershey Kiss”波可以得到一個近乎平坦的頻譜，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。因為兩個邊界點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。在實際頻率中，這個值可減少更多。
擴(kuò)頻類型
根據(jù)起始和停止頻率相對于參考頻率的位置，擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器可分為以下三種類型：
下擴(kuò)頻：向下調(diào)制基準(zhǔn)時鐘，把調(diào)制信號的最大頻率限制在基準(zhǔn)時鐘以下。適用于頻率比較敏感，已經(jīng)運行于最大速度等應(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)頻時鐘。
公式1和公式2
中心擴(kuò)頻：調(diào)制輸出時鐘和基準(zhǔn)時鐘至中心對稱(即輸出頻率會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。基準(zhǔn)時鐘向下調(diào)制，限制調(diào)制信號的最低值要高于基準(zhǔn)時鐘。
公式5和公式6
使用擴(kuò)頻時鐘的注意事項
1. 抖動
使用擴(kuò)頻時鐘的主要缺點之一是，它不能用于對時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)頻時鐘和擴(kuò)頻數(shù)，因為這可能給時鐘信號引入實質(zhì)性的抖動。這種抖動可能會影響系統(tǒng)性能，破壞建立時間和保持時間、帶來更高的誤碼率以及產(chǎn)生鎖相環(huán)解開等問題。抖動有不同類型，會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不同的影響。
周期抖動(PJ)：是指時鐘輸出和其理想位置的最大變化。周期抖動通常測量的是一段時間內(nèi)峰峰值的周期變化，通常為一萬個周期，它只是簡單的表示最早和最后沿之間的差別。該抖動會減少時序預(yù)算，從而影響系統(tǒng)同步性能。時鐘周期和其理想位置的變化也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)建立時間和保持時間的錯誤。
一個100MHz時鐘信號向上調(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)展時鐘峰峰周期抖動會有0.1ns(100ps)。由于擴(kuò)頻數(shù)增加或時鐘頻率增加使擴(kuò)頻保持固定，總頻率變化按比例增加，因此周期抖動可能會干擾某些時序參數(shù)。
需注意，這里提到的周期抖動是僅僅由擴(kuò)頻時鐘引入的。設(shè)備本身可能會增加其自身的內(nèi)在抖動，使總抖動高于以上的估計。設(shè)備的內(nèi)在抖動可以通過關(guān)閉擴(kuò)頻來測量。
長期抖動(LTJ)：是指經(jīng)過很多周期后時鐘輸出和其理想位置的最大變化。長期抖動只出現(xiàn)在一些特定應(yīng)用中，對于在時鐘沿可以顯著的從理想位置及時轉(zhuǎn)移的擴(kuò)展頻譜來說，長期抖動會產(chǎn)生很大影響。有長期抖動問題的典型例子就是圖形卡的顯示驅(qū)動：過多的長期抖動會導(dǎo)致像素數(shù)據(jù)在一段時間后從它的理想位置移位了。
周期間抖動(CTCJ)：是另一種類型的抖動，定義為時鐘輸出相對于之前一個周期的變化。在大多數(shù)通信系統(tǒng)和ADC電路中，輸入信號需嚴(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。
采樣時鐘里的周期間抖動可能會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。實際上，擴(kuò)頻時鐘給時鐘引入的周期間抖動很少。在非常慢的調(diào)制速率下，30 kHz至120 kHz之間(這相對于參考時鐘頻率至少是慢1,000倍)需花一千多個時鐘周期來完成一個調(diào)制周期，從而相鄰周期之間的差異可以忽略不計。
然而，器件本身可能增加其內(nèi)在的周期間抖動到輸出時鐘。擴(kuò)頻技術(shù)給系統(tǒng)帶來的周期抖動少于0.05%。因此，擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器非常適合于低周期抖動，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)頻時鐘驅(qū)動下行鎖相環(huán)時，設(shè)計時需特別注意。鎖相環(huán)擁有低通濾波器的特性，通過低速變化的輸入頻率，過濾高于其帶寬的高頻變化。
由于擴(kuò)展頻譜目的是調(diào)制時鐘，鎖相環(huán)可能難以保持輸入擴(kuò)頻時鐘鎖定。下行鎖相環(huán)必須能夠跟蹤頻率變化以通過調(diào)制后的時鐘。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，這會導(dǎo)致跟蹤偏差，從而增加更多抖動到系統(tǒng)里。
可編程SSCG
可編程能力提供了靈活性和方便的庫存管理。選擇可編程時鐘生成器芯片如可配置驅(qū)動能力，系統(tǒng)設(shè)計者能容易地根據(jù)應(yīng)用要求來改變時鐘沿的驅(qū)動能力(上升/下降時間)。有助于進(jìn)一步減少EMI。
市場上已有很多可編程擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器可供選擇，系統(tǒng)設(shè)計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/關(guān)、擴(kuò)頻類型與輸出時鐘頻率。可編程擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器的另一個主要優(yōu)勢是可將多種/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)計者可以使用一個擴(kuò)頻時鐘發(fā)生器來為各子系統(tǒng)提供不同的時鐘，從而可以更快進(jìn)入市場并降低成本。 |
