硅扩频振荡器在汽车电子产品中的应用

       数字电子系统使我们生活丰富多彩，但数字时钟信号也扮演着“反面角色”，即噪声传导源电缆）或产生EMI。潜噪声问题，电子产品需要相关标准测试，以确保符合EMI标准。能够非静音情况下消除谐波噪声扩频振荡器技术逐渐成为汽车电子仪表、驾驶员与乘客辅助电子产品开发关注焦点。 

        扩频技术能够很好满足FCC规范和EMI兼容性要求，EMI兼容性好坏很大程度上依赖于测量技术通带指标。扩频振荡器从根本上解决了峰值能量高度集中问题，这些能量分布噪声基底内，降低了系统对滤波和屏蔽需求，同时也带来了其他一些好处。 
 高品质多媒体、音频、视频及无线系统当今汽车电子产品中所占份额越来越大，设计人员不不考虑分布这些子系统敏感频段射频（RF）能量。高品质无线装置，是否能够消除RF峰值能量直接决定了方案有效性。 
         多年以来，无线通信产品利用“频率调节”技术避免电源开关噪声影响，这种无线装置能够与供电电源进行通信，使电源指令改变其开关频率，将能量峰值搬移到调谐器输入频段以外。现代汽车电子产品中，干扰源数量增多，很难保证系统之间协同工作，这种情况设备天线多样化以及对新添子系统放置位置限制变更为复杂。 
        扩频振荡器数字音频、免提接口等系统中具有*优势，这些系统一般采用编解码器改善音频质量，编解码器与蜂窝或其它信息处理终端之间数字接口连接，利用“抖动”（扩频）振荡器作为编解码器时钟源，能够非静音情况下消除谐波噪声。这种技术采用了开关电容编解码器多媒体系统中很常见。抑制谐波噪声外，SS振荡器能够将能量峰值降至噪声基底以内，无线跳频网络中可减小落入信道内干扰。 
        下一代汽车电子产品中，几乎所有子系统都倾向于利用SS时钟技术改善系统性能，降低EMI。针对这种应用，Maxim/Dallas推出了全硅振荡器，这种振荡器能够可靠启振，具有抗震性。其成本与陶瓷谐振器相比竞争力，振荡频率从几千赫兹到几十兆赫兹。 
 汽车电子产品设计考虑 
        有效控制EMI是电子工程师产品设计中所面临关键问题。数字系统时钟是产生EMI重要“源头”，主要原因是：时钟一般系统中具有zui高频率，常常是周期性方波，时钟引线长度通常也是系统布线中zui长。时钟信号频谱包括基波和谐波，谐波成份幅度频率升高而降低。系统中其它信号（位于数据或址总线上信号）与时钟同步频率刷新，但数据刷新动作发生不确定时间间隔，彼此之间不相关。由此产生噪声频谱占有较宽频带，噪声幅度也远远低于时钟产生噪声幅度。这些信号产生总噪声能量远远高于时钟噪声能量，但它对EMI测试影响非常小。EMI测试关注是zui高频谱功率密度幅度，而总辐射量。  实际应用中可以滤波、屏蔽以及良好PC板布局改善EMI指标。，增加滤波器和屏蔽会提高系统成本，线路板布局需要花费很长时间。解决EMI问题另一途径是直接从噪声源（通常是时钟振荡器）入手，产生随时间改变时钟频率可以很容易降低基波和谐波幅度。时钟信号能量是一定，频率变化时钟展宽了频谱，也降低了各谐波分量能量。产生这种时钟简单方法是用三角波调制一个压控振荡器（VCO），所到时钟频谱范围三角波幅度增大而增大。实际应用中需合理选择三角波重复周期，三角波频率较低时会电源向模拟子系统产生耦合噪声；选择频率过高三角波，则会干扰数字电路。 
         利用扩频振荡器作为微处理器时钟源时，须确认微处理器能够接受时钟占控比、上升/下降时间以及其他时钟源频率变化所造成参数容差。当振荡器作为系统参考时钟使用时（实时时钟或实时监测等），频率变化可能导致较大误差。 许多便携式消费类产品带有射频功能，如蜂窝，扩频技术这类产品中开关电源非常有利。射频电路（特别VCO）电源噪声非常敏感，但便携式产品延长电池使用寿命必须使用开关电源，以提供电压转换。开关电源具有与时钟振荡器相同噪声频谱，，噪声可以直接耦合到射频电路，影响系统性能指标。带有外同步功能升压转换器（如MAX1703）可以用一个扩频时钟控制它振荡频率，该方案与自激振荡升压转换器噪声频谱（图3）相比能够改善系统性能（图4）。自激振荡升压转换器谐波整个10MHz范围内都具有较大能量，而扩频方案则将谐波分量幅度降低到噪声基底以内。值注意是，总噪声能量是固定，扩频后使噪声基底有所上升。  为时钟源加入抖动之前，需要考虑以下几个问题：需要采用何种“加抖”波形？所允许zui大时钟偏移是多少？需要多大抖动速率？限制抖动速率因素是什么？以下就这些问题展开讨论。 
 “加抖”波形 
        为确保时钟信号能够被系统所接受，时钟抖动范围一般比较小（<10％）。这样，“加抖”过程与窄带FM调制非常类似。相应调制理论给出了抖动波形与频谱结果之间简单关系，即：时钟频率“概率密度函数”与抖动时钟输出频谱具有相同形状，锯齿波是一种常见“加抖”波形，每个加抖周期可以准确进入每个频点两次。每个频点出现时间比例相同，，概率密度函数整个频率调节范围内频率变化而保持一个常数，到均匀概率分布。这种抖动波形频谱相同，频谱能量均匀分布一个较窄频段，所允许（Fmax-Fmin）频率范围来说，这种频谱分布是*，它每个频点所到频谱能量是zui低。 
       这种频谱也可以利用伪随机频率抖动器获，这种方式通常是产生一个长序列频率，并以一定间隔重复，每个频点一个周期只出现一次，所到概率密度分布也是均匀，与三角抖动器相同。这种方式通常用于其他领域。 
 频谱衰减 
       考察一个抖动时钟电路好坏，主看窄带频谱中每个频点能量相单音时钟能量降低了多少。以下观点有助于理解扩频频谱能量：1、从单音到抖动时钟转换不会改变时钟能量，加抖后单音时钟能量被分布一个较宽频带内。2、周期性“加抖”时钟频谱由以“加抖”频率（Fd）为间隔谐波组成。下式将单音功率均分到整个抖动谐波频段： 
 VRMS（dB）=20log[sqrt（*Vu2）] 
 =10log[]+20log[Vu] 
 式中：F0是加抖之前频率，a是相非抖动频率抖动系数，Vu是抖动时钟频带内每个频谱RMS电压。由此可以到窄带频段内频谱能量衰减为： 
 频谱衰减=10log[]. 
 上述方程表明：允许抖动时钟带宽（a*F0）内产生频谱谐波分量越多，频谱能量就越低。作为一个例子，我们可以考察一下DS1086可编程时钟发生器抖动结构，DS1086电路中，a=0.04，F0=100MHz，Fd=F0/2048，，DS1086频谱衰减为19.1dB。 
 注意，增大抖动系数（a）可以达到与降低“加抖”速率相同目。另外，该等式既适用于三角波加抖，也适用于伪随机加抖，它们具有相同分布。 
 抖动限制 
       实际应用中一些因素会限制频谱能量衰减量，首先，抖动改变了系统定时，存频率不稳定性，据此，系统定义了对参数“a”限制。产生抖动时钟电路也会限制“加抖”速率，带有锁相环或其它控制环路（如DS1086）系统，“加抖”控制电压受控制环路带宽限制。否则，抖动控制分布函数将转变成高斯函数，所到频谱能量将主要集中非抖动时钟频率附近。 三角波抖动时钟结构主频其抖动速率处，而伪随机抖动时钟结构要求频带高于抖动模板速率，频率可以从zui小值跳到zui大值，而三角波模板中频率是连续递增。环路带宽与抖动速率之间存以下近似关系： 
 环路带宽>3（三角形模板速率） 
 环路带宽>3（伪随机模板速率） 
        环路带宽固定时，三角波模板能够支持较高抖动频率。抖动速率必须比干扰（以频率抖动形式出现）窄带检测快，相同检测时间，三角波模板抖动速率要比伪随机模板更高一些。抖动检测时间直接影响了zui低抖动速率，干扰信号频带取决于具体应用，抖动频率没有一个确定下限限制。抖动频率下限另一考虑是抖动速率本身产生带外噪声。线性系统，三角波抖动器不会抖动速率处产生谐波。，非线性电路拾取了时钟信号，将会产生一些所不希望频谱成分，低抖动频率被混频后产生位于有效工作频段干扰信号。 
        扩频技术并不用于取代传统EMI抑制技术，如：滤波、屏蔽和良好线路板布局。该技术能够从根本上改善系统性能，特别是子系统或外设易受峰值能量干扰设备。汽车产品或家庭娱乐设备中能够大大降低射频/TV干扰。良好PCB布局是系统正常运行基本保障，扩频时钟则有助于系统EMI认证，可以减少系统对滤波、屏蔽需求，降低系统成本。