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硅擴頻振蕩器在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
閱讀：2576 發(fā)布時間：2010-3-22 數(shù)字電子系統(tǒng)使我們生活豐富多彩，但數(shù)字時鐘信號也扮演著“反面角色”，即噪聲傳導(dǎo)源電纜）或產(chǎn)生EMI。潛噪聲問題，電子產(chǎn)品需要相關(guān)標準測試，以確保符合EMI標準。能夠非靜音情況下消除諧波噪聲擴頻振蕩器技術(shù)逐漸成為汽車電子儀表、駕駛員與乘客輔助電子產(chǎn)品開發(fā)關(guān)注焦點。
擴頻技術(shù)能夠很好滿足FCC規(guī)范和EMI兼容性要求，EMI兼容性好壞很大程度上依賴于測量技術(shù)通帶指標。擴頻振蕩器從根本上解決了峰值能量高度集中問題，這些能量分布噪聲基底內(nèi)，降低了系統(tǒng)對濾波和屏蔽需求，同時也帶來了其他一些好處。
高品質(zhì)多媒體、音頻、視頻及無線系統(tǒng)當(dāng)今汽車電子產(chǎn)品中所占份額越來越大，設(shè)計人員不不考慮分布這些子系統(tǒng)敏感頻段射頻（RF）能量。高品質(zhì)無線裝置，是否能夠消除RF峰值能量直接決定了方案有效性。
多年以來，無線通信產(chǎn)品利用“頻率調(diào)節(jié)”技術(shù)避免電源開關(guān)噪聲影響，這種無線裝置能夠與供電電源進行通信，使電源指令改變其開關(guān)頻率，將能量峰值搬移到調(diào)諧器輸入頻段以外?，F(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品中，干擾源數(shù)量增多，很難保證系統(tǒng)之間協(xié)同工作，這種情況設(shè)備天線多樣化以及對新添子系統(tǒng)放置位置限制變更為復(fù)雜。
擴頻振蕩器數(shù)字音頻、免提接口等系統(tǒng)中具有*優(yōu)勢，這些系統(tǒng)一般采用編解碼器改善音頻質(zhì)量，編解碼器與蜂窩或其它信息處理終端之間數(shù)字接口連接，利用“抖動”（擴頻）振蕩器作為編解碼器時鐘源，能夠非靜音情況下消除諧波噪聲。這種技術(shù)采用了開關(guān)電容編解碼器多媒體系統(tǒng)中很常見。抑制諧波噪聲外，SS振蕩器能夠?qū)⒛芰糠逯到抵猎肼暬滓詢?nèi)，無線跳頻網(wǎng)絡(luò)中可減小落入信道內(nèi)干擾。
下一代汽車電子產(chǎn)品中，幾乎所有子系統(tǒng)都傾向于利用SS時鐘技術(shù)改善系統(tǒng)性能，降低EMI。針對這種應(yīng)用，Maxim/Dallas推出了全硅振蕩器，這種振蕩器能夠可靠啟振，具有抗震性。其成本與陶瓷諧振器相比競爭力，振蕩頻率從幾千赫茲到幾十兆赫茲。
汽車電子產(chǎn)品設(shè)計考慮
有效控制EMI是電子工程師產(chǎn)品設(shè)計中所面臨關(guān)鍵問題。數(shù)字系統(tǒng)時鐘是產(chǎn)生EMI重要“源頭”，主要原因是：時鐘一般系統(tǒng)中具有zui高頻率，常常是周期性方波，時鐘引線長度通常也是系統(tǒng)布線中zui長。時鐘信號頻譜包括基波和諧波，諧波成份幅度頻率升高而降低。系統(tǒng)中其它信號（位于數(shù)據(jù)或址總線上信號）與時鐘同步頻率刷新，但數(shù)據(jù)刷新動作發(fā)生不確定時間間隔，彼此之間不相關(guān)。由此產(chǎn)生噪聲頻譜占有較寬頻帶，噪聲幅度也遠遠低于時鐘產(chǎn)生噪聲幅度。這些信號產(chǎn)生總噪聲能量遠遠高于時鐘噪聲能量，但它對EMI測試影響非常小。EMI測試關(guān)注是zui高頻譜功率密度幅度，而總輻射量。 實際應(yīng)用中可以濾波、屏蔽以及良好PC板布局改善EMI指標。，增加濾波器和屏蔽會提高系統(tǒng)成本，線路板布局需要花費很長時間。解決EMI問題另一途徑是直接從噪聲源（通常是時鐘振蕩器）入手，產(chǎn)生隨時間改變時鐘頻率可以很容易降低基波和諧波幅度。時鐘信號能量是一定，頻率變化時鐘展寬了頻譜，也降低了各諧波分量能量。產(chǎn)生這種時鐘簡單方法是用三角波調(diào)制一個壓控振蕩器（VCO），所到時鐘頻譜范圍三角波幅度增大而增大。實際應(yīng)用中需合理選擇三角波重復(fù)周期，三角波頻率較低時會電源向模擬子系統(tǒng)產(chǎn)生耦合噪聲；選擇頻率過高三角波，則會干擾數(shù)字電路。
利用擴頻振蕩器作為微處理器時鐘源時，須確認微處理器能夠接受時鐘占控比、上升/下降時間以及其他時鐘源頻率變化所造成參數(shù)容差。當(dāng)振蕩器作為系統(tǒng)參考時鐘使用時（實時時鐘或?qū)崟r監(jiān)測等），頻率變化可能導(dǎo)致較大誤差。 許多便攜式消費類產(chǎn)品帶有射頻功能，如蜂窩，擴頻技術(shù)這類產(chǎn)品中開關(guān)電源非常有利。射頻電路（特別VCO）電源噪聲非常敏感，但便攜式產(chǎn)品延長電池使用壽命必須使用開關(guān)電源，以提供電壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源具有與時鐘振蕩器相同噪聲頻譜，，噪聲可以直接耦合到射頻電路，影響系統(tǒng)性能指標。帶有外同步功能升壓轉(zhuǎn)換器（如MAX1703）可以用一個擴頻時鐘控制它振蕩頻率，該方案與自激振蕩升壓轉(zhuǎn)換器噪聲頻譜（圖3）相比能夠改善系統(tǒng)性能（圖4）。自激振蕩升壓轉(zhuǎn)換器諧波整個10MHz范圍內(nèi)都具有較大能量，而擴頻方案則將諧波分量幅度降低到噪聲基底以內(nèi)。值注意是，總噪聲能量是固定，擴頻后使噪聲基底有所上升。 為時鐘源加入抖動之前，需要考慮以下幾個問題：需要采用何種“加抖”波形？所允許zui大時鐘偏移是多少？需要多大抖動速率？限制抖動速率因素是什么？以下就這些問題展開討論。
“加抖”波形
為確保時鐘信號能夠被系統(tǒng)所接受，時鐘抖動范圍一般比較?。?lt;10％）。這樣，“加抖”過程與窄帶FM調(diào)制非常類似。相應(yīng)調(diào)制理論給出了抖動波形與頻譜結(jié)果之間簡單關(guān)系，即：時鐘頻率“概率密度函數(shù)”與抖動時鐘輸出頻譜具有相同形狀，鋸齒波是一種常見“加抖”波形，每個加抖周期可以準確進入每個頻點兩次。每個頻點出現(xiàn)時間比例相同，，概率密度函數(shù)整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)頻率變化而保持一個常數(shù)，到均勻概率分布。這種抖動波形頻譜相同，頻譜能量均勻分布一個較窄頻段，所允許（Fmax-Fmin）頻率范圍來說，這種頻譜分布是*，它每個頻點所到頻譜能量是zui低。
這種頻譜也可以利用偽隨機頻率抖動器獲，這種方式通常是產(chǎn)生一個長序列頻率，并以一定間隔重復(fù)，每個頻點一個周期只出現(xiàn)一次，所到概率密度分布也是均勻，與三角抖動器相同。這種方式通常用于其他領(lǐng)域。
頻譜衰減
考察一個抖動時鐘電路好壞，主看窄帶頻譜中每個頻點能量相單音時鐘能量降低了多少。以下觀點有助于理解擴頻頻譜能量：1、從單音到抖動時鐘轉(zhuǎn)換不會改變時鐘能量，加抖后單音時鐘能量被分布一個較寬頻帶內(nèi)。2、周期性“加抖”時鐘頻譜由以“加抖”頻率（Fd）為間隔諧波組成。下式將單音功率均分到整個抖動諧波頻段：
VRMS（dB）=20log[sqrt（{（F0*a）/Fd}*Vu2）]
=10log[{（F0*a）/Fd}]+20log[Vu]
式中：F0是加抖之前頻率，a是相非抖動頻率抖動系數(shù)，Vu是抖動時鐘頻帶內(nèi)每個頻譜RMS電壓。由此可以到窄帶頻段內(nèi)頻譜能量衰減為：
頻譜衰減=10log[{（F0*a）/Fd}].
上述方程表明：允許抖動時鐘帶寬（a*F0）內(nèi)產(chǎn)生頻譜諧波分量越多，頻譜能量就越低。作為一個例子，我們可以考察一下DS1086可編程時鐘發(fā)生器抖動結(jié)構(gòu)，DS1086電路中，a=0.04，F(xiàn)0=100MHz，F(xiàn)d=F0/2048，，DS1086頻譜衰減為19.1dB。
注意，增大抖動系數(shù)（a）可以達到與降低“加抖”速率相同目。另外，該等式既適用于三角波加抖，也適用于偽隨機加抖，它們具有相同分布。
抖動限制
實際應(yīng)用中一些因素會限制頻譜能量衰減量，首先，抖動改變了系統(tǒng)定時，存頻率不穩(wěn)定性，據(jù)此，系統(tǒng)定義了對參數(shù)“a”限制。產(chǎn)生抖動時鐘電路也會限制“加抖”速率，帶有鎖相環(huán)或其它控制環(huán)路（如DS1086）系統(tǒng)，“加抖”控制電壓受控制環(huán)路帶寬限制。否則，抖動控制分布函數(shù)將轉(zhuǎn)變成高斯函數(shù)，所到頻譜能量將主要集中非抖動時鐘頻率附近。 三角波抖動時鐘結(jié)構(gòu)主頻其抖動速率處，而偽隨機抖動時鐘結(jié)構(gòu)要求頻帶高于抖動模板速率，頻率可以從zui小值跳到zui大值，而三角波模板中頻率是連續(xù)遞增。環(huán)路帶寬與抖動速率之間存以下近似關(guān)系：
環(huán)路帶寬>3（三角形模板速率）
環(huán)路帶寬>3（偽隨機模板速率）
環(huán)路帶寬固定時，三角波模板能夠支持較高抖動頻率。抖動速率必須比干擾（以頻率抖動形式出現(xiàn)）窄帶檢測快，相同檢測時間，三角波模板抖動速率要比偽隨機模板更高一些。抖動檢測時間直接影響了zui低抖動速率，干擾信號頻帶取決于具體應(yīng)用，抖動頻率沒有一個確定下限限制。抖動頻率下限另一考慮是抖動速率本身產(chǎn)生帶外噪聲。線性系統(tǒng)，三角波抖動器不會抖動速率處產(chǎn)生諧波。，非線性電路拾取了時鐘信號，將會產(chǎn)生一些所不希望頻譜成分，低抖動頻率被混頻后產(chǎn)生位于有效工作頻段干擾信號。
擴頻技術(shù)并不用于取代傳統(tǒng)EMI抑制技術(shù)，如：濾波、屏蔽和良好線路板布局。該技術(shù)能夠從根本上改善系統(tǒng)性能，特別是子系統(tǒng)或外設(shè)易受峰值能量干擾設(shè)備。汽車產(chǎn)品或家庭娛樂設(shè)備中能夠大大降低射頻/TV干擾。良好PCB布局是系統(tǒng)正常運行基本保障，擴頻時鐘則有助于系統(tǒng)EMI認證，可以減少系統(tǒng)對濾波、屏蔽需求，降低系統(tǒng)成本。