使用擴頻振蕩器減少消費品中的輻射發(fā)射

1975年，美國負責監(jiān)管射頻（RF）發(fā)射的政府機構(gòu)聯(lián)邦通信委員會（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規(guī)。這些不是針對控制無線電和電視發(fā)射機等設(shè)備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機導航和緊急信標。相反，這些法規(guī)試圖控制不故意輻射射頻能量的設(shè)備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機和電子遙控器。在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機的電子設(shè)備激增。這些設(shè)備之間的交叉干擾成為一個問題。解決輻射發(fā)射問題的傳統(tǒng)方法包括屏蔽、仔細的電路板布局以及濾波以減少不需要的輻射發(fā)射。隨著電子設(shè)備變得越來越小，使用了另一種從通信應(yīng)用中借用的技術(shù)擴頻。本文介紹了擴頻的背景和歷史，并描述了今天如何將其用作減少消費電子設(shè)備中輻射發(fā)射的技術(shù)。

概述

1975年，美國負責監(jiān)管射頻（RF）發(fā)射的政府機構(gòu)聯(lián)邦通信委員會（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規(guī)。這些不是針對控制無線電和電視發(fā)射機等設(shè)備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機導航和緊急信標。相反，這些法規(guī)試圖控制不故意輻射射頻能量的設(shè)備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機和電子遙控器。

這些規(guī)定背后的動機的一個很好的例子發(fā)生在幾年前的達拉斯/沃斯堡機場。飛行員在起飛和著陸期間報告了最近開發(fā)的電子飛行控制系統(tǒng)失控的情況。FCC將原因追溯到周圍郊區(qū)家庭中遙控車庫門開啟器的干擾。Part 15 法規(guī)通過要求在美國銷售的所有電子設(shè)備都經(jīng)過測試和認證來解決這個問題，以確保不會有可能導致其他電子設(shè)備故障的輻射射頻能量。

在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機的電子設(shè)備激增。這些設(shè)備之間的交叉干擾成為一個問題。微波爐干擾了心臟起搏器，而電纜調(diào)制解調(diào)器干擾了無繩電話。同樣，計算機顯示器輻射出足夠的射頻能量，干擾了附近的大多數(shù)其他電子設(shè)備。

FCC和其他監(jiān)管機構(gòu)，如歐洲的電磁兼容性（EMC）機構(gòu)，對所有電子產(chǎn)品中的這些排放進行了更嚴格的監(jiān)管。在美國，F(xiàn)CC 第 68 部分受工業(yè)和商業(yè)電子設(shè)備監(jiān)管。第68部分A類涉及工業(yè)環(huán)境中使用的設(shè)備，而第68部分B類涉及消費品。本文將僅重點介紹 B 類電子產(chǎn)品。

減少輻射發(fā)射

輻射發(fā)射發(fā)生在任何具有變化的電信號輻射發(fā)射的電子產(chǎn)品中。在時鐘以一定頻率運行的PC主板的情況下，它將輻射緊緊圍繞主振蕩器頻率的RF能量。

定義：

輻射敏感性是電子設(shè)備對來自外部射頻能量源接口的靈敏度。

輻射發(fā)射是由一臺電氣設(shè)備（如 PC 或顯示器）無意中輻射的射頻能量，這可能會對另一臺電氣設(shè)備產(chǎn)生一些影響。

EMC（電磁兼容性）：電子設(shè)備成為“良好電磁鄰居”的能力：它既不會引起電磁干擾，也不會受到電磁干擾（在適用標準的范圍內(nèi)）。參見：術(shù)語表定義

EMI（電磁干擾）：來自電磁輻射的有害噪聲。參見：術(shù)語表定義

如果測量來自PC主板的輻射RF能量，則振蕩器中心頻率處存在輻射尖峰（圖1）。FCC 對消費品的要求（FCC 第 68 部分，B 類）要求在任何給定頻率下輻射發(fā)射必須低于規(guī)定的最大值。

圖1.典型晶體振蕩器發(fā)射與 FCC 最大值的比較。

具有諷刺意味的是，這些標準并沒有減少輻射的能量總量，只會減少在任何一個頻率下可能輻射的峰值能量。

減少輻射發(fā)射的傳統(tǒng)、較老的方法涉及遏制。一臺個人電腦使用其接地的鋼柜作為屏蔽來攔截和消散主板輻射的能量。封閉電子設(shè)備中使用的塑料柜通常涂有金屬層并接地以達到相同的目的。隨著電子產(chǎn)品的激增并變得越來越小，遏制技術(shù)變得更加難以實現(xiàn)。電子產(chǎn)品的時鐘速度更高，包括更高的諧波頻率，這迫使設(shè)計人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細的電路布局等技術(shù)來減少輻射發(fā)射。隨著消費電子產(chǎn)品的萎縮，這種方法變得昂貴且更加困難。需要一種新的方法來減少這些峰值輻射發(fā)射。

通過擴展或抖動系統(tǒng)時鐘的頻率，輻射發(fā)射可以在窄頻譜上“涂抹”，從而減少任何一個頻率的峰值輻射發(fā)射。這簡化了設(shè)計工程師的任務(wù)并降低了制造產(chǎn)品的成本。在過去幾年中，這種使用擴頻時鐘振蕩器來減少峰值輻射發(fā)射的做法在從PC主板到打印機的所有產(chǎn)品中都得到了普及。

擴頻的歷史

在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國海軍遇到了無線電控制魚雷的問題，這些魚雷被調(diào)諧到與發(fā)射無線電相同頻率的高強度射頻信號“干擾”。這是輻射敏感性的一個例子。11 年 1942 月 2 日，海蒂·凱斯勒·馬基和喬治·安泰爾獲得了解決這一問題的“秘密通信系統(tǒng)”的美國專利號 292，387，<>。該設(shè)備使用一種機制在發(fā)射器上的頻率之間快速切換（這種技術(shù)類似于現(xiàn)在所說的跳頻）。魚雷接收器上的類似設(shè)備在相同頻率之間切換并捕獲傳輸信號?？刂启~雷的信號從未在任何單個頻率上停留足夠長的時間，以至于被單個頻率的外部RF信號干擾。半個世紀后，這種技術(shù)的更復雜的版本被用于減少對蜂窩和無繩電話等通信設(shè)備的干擾。

使用擴頻技術(shù)減少輻射發(fā)射

雖然術(shù)語擴頻用于減少消費電子產(chǎn)品中輻射發(fā)射的技術(shù)，但該應(yīng)用與無繩電話等設(shè)備中使用的應(yīng)用不同。在無繩電話中，發(fā)射器和接收器的工作頻率被一致掃過一個頻帶，從而減少了任何一個頻率的外部輻射的影響。

在PC等消費類產(chǎn)品中，使用擴頻技術(shù)來減少無意發(fā)射機的RF，涉及在頻率頻帶上掃描驅(qū)動PC的時鐘。因此，任何輻射發(fā)射都分布在頻段上，并且只有總能量的一小部分以任何一個頻率輻射。這會將該頻率的峰值能量降低到FCC規(guī)定的水平以下。

上述方法使用施加到振蕩器的信號，該信號根據(jù)信號電平移動頻率。在最簡單的形式中，三角形信號施加到振蕩器電路上，振蕩器電路根據(jù)三角形幅度的函數(shù)改變振蕩器的頻率（圖 2）。實際上，所應(yīng)用信號的形狀可能與此三角形示例略有不同。

圖2.振蕩器抖動。

圖3.時鐘頻譜抖動比較。

圖3顯示了抖動DS1086振蕩器的輻射發(fā)射輸出與前面所示晶體振蕩器的輻射發(fā)射輸出。圖中顯示DS1086的抖動輸出為0%，抖動輸出為4%。該圖顯示了振蕩器頻率的“擴散”如何將任何特定頻率的峰值輻射發(fā)射降低到FCC規(guī)定的水平以下。選擇抖動信號的頻率，使其遠低于其抖動的振蕩器的頻率。因此，由振蕩器驅(qū)動的電子設(shè)備不受快速頻率變化的影響。它還被選擇在頻率的可聽范圍以上，以便電路中的無功元件（例如電容器和電感器）不會產(chǎn)生可聽噪聲。上圖顯示了晶體振蕩器的輻射能量頻譜，在經(jīng)濟振蕩器上呈“0%”擴散，在經(jīng)濟振蕩器?上呈4%的擴散。2%的點差可用，但未顯示。“0%”點差實際上大約是1/<>%到<>%的點差，這是由于經(jīng)濟振蕩器架構(gòu)固有的抖動特性。

The DS1086

DS1086是一款經(jīng)濟振蕩器，設(shè)計用于在振蕩器輸出端產(chǎn)生抖動，減少從打印機到游戲機等系統(tǒng)中的輻射發(fā)射。該器件由一個可編程的 66MHz 至 133MHz 時鐘頻率發(fā)生器組成，可通過一個 10 線接口以 2kHz 的增量進行調(diào)諧。這與將主振蕩器頻率除以 2 的預分頻器結(jié)合使用X（其中 x = 0 至 8），提供從 260kHz 到 133MHz 的廣泛頻率選擇。輸入引腳提供控制，用于對時鐘輸出進行選通、打開和關(guān)閉抖動以及禁用主振蕩器。可選擇三個抖動選項：“0%”、“2%”和 4%。與其他制造商的低EMI振蕩器不同，DS1086無需外部晶振或時鐘基準即可工作，使其成為目前尺寸最小的低EMI時鐘（圖4）。該器件采用 8 引腳 SO 封裝。

圖4.DS1086擴頻經(jīng)濟振蕩器。

與其他經(jīng)濟振蕩器一樣，DS1086使用精確控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和校準的壓控振蕩器（VCO）來產(chǎn)生中心頻率輸出。通過將三角波電壓信號相加到VCO輸入中，將頻率抖動注入輸出頻率。三角波的幅度決定了輸出時鐘中的百分比抖動。這可以設(shè)置為 0%、2% 或 4%，具體取決于應(yīng)用程序。請注意，0% 抖動選擇具有大約 1% 的抖動，這是所有經(jīng)濟振蕩器架構(gòu)所固有的。與晶體振蕩器相比，即使是具有此特性的標準經(jīng)濟振蕩器，輻射頻譜也減少了10dBm，而無需任何額外的電路。

總結(jié)

消費電子產(chǎn)品的FCC輻射發(fā)射合規(guī)標準使電路設(shè)計人員的工程工作變得越來越困難。更快的時鐘速度包括更高的諧波頻率，迫使設(shè)計人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細的電路板布局來減少輻射發(fā)射。通過在系統(tǒng)時鐘的中心頻率上添加頻率調(diào)制（FM）或“抖動”，輻射發(fā)射可以分布在窄頻譜上，從而減少任何一個頻率的峰值輻射發(fā)射，滿足FCC要求。

這簡化了設(shè)計人員的工程任務(wù)，并可以大大降低成品的成本。在過去幾年中，擴頻時鐘振蕩器的使用越來越受歡迎。時鐘的特點是頻率的相對精確的短期穩(wěn)定性，通常在200ppm到300ppm的數(shù)量級。長期頻率穩(wěn)定性在振蕩器中心頻率的 4/<>% 至 <>% 的頻率值范圍內(nèi)掃描。

審核編輯：郭婷