硅擴(kuò)頻振蕩器在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字電子系統(tǒng)使我們的生活豐富多彩，但數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)也扮演著“反面角色”，即傳導(dǎo)噪聲源(通過電纜)或電磁輻射干擾(EMI)。由于潛在的噪聲問題，電子產(chǎn)品需要經(jīng)過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試，以確保符合EMI標(biāo)準(zhǔn)。汽車電子產(chǎn)品除了存在EMI兼容性外，還要考慮其他諸多問題，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)頻(SS)振蕩器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)的關(guān)注焦點(diǎn)。

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擴(kuò)頻振蕩器在汽車電子設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

擴(kuò)頻技術(shù)能夠很好地滿足FCC規(guī)范和EMI兼容性的要求，EMI兼容性的好壞在很大程度上依賴于測(cè)量技術(shù)的通帶指標(biāo)。擴(kuò)頻振蕩器從根本上解決了峰值能量高度集中的問題，這些能量被分布在噪聲基底內(nèi)，降低了系統(tǒng)對(duì)濾波和屏蔽的需求，同時(shí)也帶來了其他一些好處。

高品質(zhì)的多媒體、音頻、視頻及無(wú)線系統(tǒng)在當(dāng)今的汽車電子產(chǎn)品中所占的份額越來越大，設(shè)計(jì)人員不得不考慮分布在這些子系統(tǒng)敏感頻段的射頻(RF)能量。對(duì)于高品質(zhì)的無(wú)線裝置，是否能夠消除RF峰值能量直接決定了方案的有效性。

多年以來，無(wú)線通信產(chǎn)品利用“頻率調(diào)節(jié)”技術(shù)避免電源開關(guān)噪聲的影響，這種無(wú)線裝置能夠與供電電源進(jìn)行通信，使電源按照指令改變其開關(guān)頻率，將能量峰值搬移到調(diào)諧器輸入頻段以外。在現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品中，隨著干擾源數(shù)量的增多，很難保證系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，這種情況由于設(shè)備天線的多樣化以及對(duì)新添子系統(tǒng)放置位置的限制變得更為復(fù)雜。

擴(kuò)頻振蕩器在數(shù)字音頻、工廠裝配、免提裝置等系統(tǒng)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這些系統(tǒng)一般采用編解碼器改善音頻質(zhì)量，編解碼器與蜂窩電話或其它信息處理終端之間通過數(shù)字接口連接，如果利用“抖動(dòng)”(擴(kuò)頻)振蕩器作為編解碼器的時(shí)鐘源，能夠在非靜音情況下消除諧波噪聲。這種技術(shù)在采用了開關(guān)電容編解碼器的多媒體系統(tǒng)中很常見。除了抑制諧波噪聲外，SS振蕩器能夠?qū)⒛芰糠逯到抵猎肼暬滓詢?nèi)，在無(wú)線跳頻網(wǎng)絡(luò)中可減小落入信道內(nèi)的干擾。

下一代汽車電子產(chǎn)品中，幾乎所有的子系統(tǒng)都傾向于利用SS時(shí)鐘技術(shù)改善系統(tǒng)性能，降低EMI。針對(duì)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，而且具有抗震性。其成本與陶瓷諧振器相比極具競(jìng)爭(zhēng)力，振蕩頻率從幾千赫茲到幾十兆赫茲。

汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)考慮

有效控制EMI是電子工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所面臨的關(guān)鍵問題，數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘是產(chǎn)生EMI的重要“源泉”，主要原因是：時(shí)鐘一般在系統(tǒng)中具有最高頻率，而且常常是周期性方波，時(shí)鐘引線長(zhǎng)度通常也是系統(tǒng)布線中最長(zhǎng)的。時(shí)鐘信號(hào)的頻譜包括基波和諧波，諧波成份的幅度隨著頻率的升高而降低。

系統(tǒng)中的其它信號(hào)(位于數(shù)據(jù)或地址總線上的信號(hào))按照與時(shí)鐘同步的頻率刷新，但數(shù)據(jù)刷新動(dòng)作發(fā)生在不確定的時(shí)間間隔，彼此之間不相關(guān)。由此產(chǎn)生的噪聲頻譜占有較寬的頻帶，噪聲幅度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于時(shí)鐘產(chǎn)生的噪聲幅度。雖然這些信號(hào)產(chǎn)生的總噪聲能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于時(shí)鐘噪聲能量，但它對(duì)EMI測(cè)試的影響非常小。EMI測(cè)試關(guān)注的是最高頻譜功率密度的幅度，而不是總輻射能量。

實(shí)際應(yīng)用中可以通過濾波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指標(biāo)。但是，增加濾波器和屏蔽會(huì)提高系統(tǒng)的成本，精確的線路板布局需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。解決EMI問題的另一途徑是直接從噪聲源(通常是時(shí)鐘振蕩器)入手，產(chǎn)生隨時(shí)間改變的時(shí)鐘頻率可以很容易地降低基波和諧波幅度。

時(shí)鐘信號(hào)的能量是一定的，頻率變化的時(shí)鐘展寬了頻譜，因而也降低了各諧波分量的能量。產(chǎn)生這種時(shí)鐘的簡(jiǎn)單方法是用三角波調(diào)制一個(gè)壓控振蕩器(VCO)，所得到的時(shí)鐘頻譜范圍隨著三角波幅度的增大而增大。實(shí)際應(yīng)用中需合理選擇三角波的重復(fù)周期，三角波頻率較低時(shí)會(huì)通過電源向模擬子系統(tǒng)產(chǎn)生耦合噪聲；如果選擇頻率過高三角波，則會(huì)干擾數(shù)字電路。

圖1是基于上述考慮的時(shí)鐘振蕩器原理圖，它用一個(gè)三角波控制VCO輸出頻譜的帶寬，VCO的中心頻率由DAC和可編程8位分頻器控制，可以在260kHz至133MHz范圍內(nèi)設(shè)置頻率。圖1所示IC通過2線接口控制，控制字存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的EEPROM內(nèi)，如果預(yù)先將頻率設(shè)置在所希望的頻點(diǎn)，該器件可以工作在單機(jī)模式，也可以在其空閑周期內(nèi)更新頻率，這也是它在低功耗應(yīng)用中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。


圖1 DS1086可編程時(shí)鐘發(fā)生器的核心電路是受三角波控制的VCO，頻率通過2線接口編程，存儲(chǔ)在片內(nèi)EEPROM內(nèi)。

圖2給出了普通晶振與擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器的頻譜對(duì)照?qǐng)D，通過設(shè)置三角波的幅度可以將頻譜擴(kuò)展4%，與晶體時(shí)鐘振蕩器相比峰值幅度降低近25dB。


圖2. 晶體振蕩器頻譜與DS1086頻譜對(duì)照，頻譜擴(kuò)展4%時(shí)相差25dB。

利用擴(kuò)頻振蕩器作為微處理器的時(shí)鐘源時(shí)，須確認(rèn)微處理器能夠接受時(shí)鐘占控比、上升/下降時(shí)間以及其他由于時(shí)鐘源頻率變化所造成的參數(shù)容差。當(dāng)振蕩器作為系統(tǒng)的參考時(shí)鐘使用時(shí)(實(shí)時(shí)時(shí)鐘或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等)，頻率變化可能導(dǎo)致較大誤差。

許多便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品帶有射頻功能，如蜂窩電話，擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)于這類產(chǎn)品中的開關(guān)電源非常有利。射頻電路(特別是VCO)對(duì)于電源噪聲非常敏感，但便攜式產(chǎn)品為了延長(zhǎng)電池的使用壽命必須使用開關(guān)電源，以提供高效的電壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源具有與時(shí)鐘振蕩器相同的噪聲頻譜，而且，噪聲可以直接耦合到射頻電路，影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

帶有外同步功能的升壓轉(zhuǎn)換器(如MAX1703)可以用一個(gè)擴(kuò)頻時(shí)鐘控制它的振蕩頻率，該方案與自激振蕩升壓轉(zhuǎn)換器的噪聲頻譜(圖3)相比能夠改善系統(tǒng)性能(圖4)。自激振蕩升壓轉(zhuǎn)換器諧波在整個(gè)10MHz范圍內(nèi)都具有較大的能量，而擴(kuò)頻方案則將諧波分量的幅度降低到噪聲基底以內(nèi)(圖4)。值得注意的是，由于總噪聲能量是固定的，擴(kuò)頻后使噪聲基底有所上升。


圖3. MAX1703升壓轉(zhuǎn)換器頻譜顯示：基波位于300kHz (自激振蕩開關(guān)頻率)，在高達(dá)10MHz的整個(gè)頻段內(nèi)有明顯的諧波。


圖4. 將MAX1703升壓轉(zhuǎn)換器同步到一個(gè)擴(kuò)展頻譜，可以消除尖峰頻譜，是整體噪聲基底升高。

為時(shí)鐘源加入抖動(dòng)之前，需要考慮以下幾個(gè)問題：需要采用何種“加抖”波形？所允許的最大時(shí)鐘偏移是多少？需要多大的抖動(dòng)速率？限制抖動(dòng)速率的因素是什么？以下就這些問題展開討論。

“加抖”波形

為確保時(shí)鐘信號(hào)能夠被系統(tǒng)所接受，時(shí)鐘抖動(dòng)范圍一般比較小(<10%)。這樣，“加抖”過程與窄帶FM調(diào)制非常類似。

相應(yīng)的調(diào)制理論給出了抖動(dòng)波形與頻譜結(jié)果之間的簡(jiǎn)單關(guān)系，即：時(shí)鐘頻率的“概率密度函數(shù)”與抖動(dòng)時(shí)鐘輸出的頻譜具有相同的形狀，鋸齒波是一種常見的“加抖”波形，每個(gè)加抖周期可以準(zhǔn)確地進(jìn)入每個(gè)頻點(diǎn)兩次。由于每個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比例相同，因此，概率密度函數(shù)在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)隨著頻率的變化而保持一個(gè)常數(shù)，得到均勻概率的分布(圖1)。

這種抖動(dòng)波形的頻譜相同，頻譜能量均勻地分布在一個(gè)較窄的頻段，對(duì)于所允許的(Fmax - Fmin)頻率范圍來說，這種頻譜分布是最佳的，因?yàn)樗诿總€(gè)頻點(diǎn)所得到的頻譜能量是最低的。

這種頻譜也可以利用偽隨機(jī)頻率抖動(dòng)器獲得，這種方式通常是產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)序列的頻率，并以一定的間隔重復(fù)，每個(gè)頻點(diǎn)在一個(gè)周期只出現(xiàn)一次，所得到的概率密度分布也是均勻的，與三角抖動(dòng)器相同。這種方式通常用于其他領(lǐng)域。

頻譜衰減

考察一個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘電路的好壞，主要是看窄帶頻譜中每個(gè)頻點(diǎn)的能量相對(duì)于單音時(shí)鐘能量降低了多少。本節(jié)推導(dǎo)出了一個(gè)用于優(yōu)化均勻擴(kuò)展頻譜波形的關(guān)系式。

以下觀點(diǎn)有助于理解擴(kuò)頻頻譜的能量：1、從單音到抖動(dòng)時(shí)鐘的轉(zhuǎn)換不會(huì)改變時(shí)鐘能量，只是加抖后單音時(shí)鐘的能量被分布在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)。2、周期性“加抖”時(shí)鐘的頻譜由以“加抖”頻率(Fd)為間隔的諧波組成。下式將單音功率均分到整個(gè)抖動(dòng)諧波頻段：

VRMS (dB) = 20log[sqrt({(F0 * a)/Fd}*Vu2)]

= 10log[{(F0 *a)/Fd }]+ 20log[Vu ],

式中：F0是加抖之前的頻率，a是相對(duì)于非抖動(dòng)頻率的抖動(dòng)系數(shù)，Vu是抖動(dòng)時(shí)鐘頻帶內(nèi)每個(gè)頻譜的RMS電壓。由此可以得到窄帶頻段內(nèi)頻譜能量的衰減為：

頻譜衰減 = 10log[{(F0 *a)/Fd}].

上述方程表明：在允許的抖動(dòng)時(shí)鐘帶寬(a*F0)內(nèi)產(chǎn)生的頻譜諧波分量越多，頻譜的能量就越低。作為一個(gè)例子，我們可以考察一下DS1086可編程時(shí)鐘發(fā)生器的抖動(dòng)結(jié)構(gòu)，DS1086電路中，a = 0.04, F0 = 100MHz, Fd = F0/2048，因此，DS1086的頻譜衰減為19.1dB。

注意，增大抖動(dòng)系數(shù)(a)可以達(dá)到與降低“加抖”速率相同的目的。另外，該等式既適用于三角波加抖，也適用于偽隨機(jī)加抖，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤姆植肌?

抖動(dòng)限制

實(shí)際應(yīng)用中的一些因素會(huì)限制頻譜能量的衰減量，首先，由于抖動(dòng)改變了系統(tǒng)定時(shí)，存在頻率不穩(wěn)定性，據(jù)此，系統(tǒng)定義了對(duì)參數(shù)“a”的限制。

產(chǎn)生抖動(dòng)時(shí)鐘的電路也會(huì)限制“加抖”的速率，帶有鎖相環(huán)或其它控制環(huán)路(如DS1086)的系統(tǒng)，“加抖”控制電壓受控制環(huán)路帶寬的限制。否則，抖動(dòng)控制的分布函數(shù)將轉(zhuǎn)變成高斯函數(shù)，所得到的頻譜能量將主要集中在非抖動(dòng)時(shí)鐘頻率附近。

三角波抖動(dòng)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的主頻在其抖動(dòng)速率處，而偽隨機(jī)抖動(dòng)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)要求頻帶高于抖動(dòng)模板的速率，頻率可以從最小值跳到最大值，而三角波模板中頻率是連續(xù)遞增的。環(huán)路帶寬與抖動(dòng)速率之間存在以下近似的關(guān)系：

環(huán)路帶寬 > 3 (三角形模板速率)
環(huán)路帶寬 > 3 (偽隨機(jī)模板速率)

環(huán)路帶寬固定時(shí)，三角波模板能夠支持較高的抖動(dòng)頻率。因?yàn)槎秳?dòng)速率必須比干擾(以頻率抖動(dòng)形式出現(xiàn))的窄帶檢測(cè)快，對(duì)于相同的檢測(cè)時(shí)間，三角波模板的抖動(dòng)速率要比偽隨機(jī)模板更高一些。

抖動(dòng)檢測(cè)時(shí)間直接影響了最低抖動(dòng)速率，干擾信號(hào)的頻帶取決于具體應(yīng)用，抖動(dòng)頻率沒有一個(gè)確定的下限限制。對(duì)于抖動(dòng)頻率下限的另一考慮是抖動(dòng)速率本身產(chǎn)生的帶外噪聲。對(duì)于線性系統(tǒng)，三角波抖動(dòng)器不會(huì)在抖動(dòng)速率處產(chǎn)生諧波。但是，如果非線性電路拾取了時(shí)鐘信號(hào)，將會(huì)產(chǎn)生一些所不希望的頻譜成分，低抖動(dòng)頻率被混頻后產(chǎn)生位于有效工作頻段的干擾信號(hào)。

擴(kuò)頻技術(shù)并不用于取代傳統(tǒng)的EMI抑制技術(shù)，如：濾波、屏蔽和良好的線路板布局。該技術(shù)能夠從根本上改善系統(tǒng)的性能，特別是對(duì)于子系統(tǒng)或外設(shè)易受峰值能量干擾的設(shè)備。在汽車產(chǎn)品或家庭娛樂設(shè)備中能夠大大降低射頻/TV干擾。良好的PCB布局是系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保障，擴(kuò)頻時(shí)鐘則有助于系統(tǒng)通過EMI認(rèn)證，而且可以減少系統(tǒng)對(duì)濾波、屏蔽的需求，降低系統(tǒng)成本。