硅扩频振荡器在汽车电子产品中的应用

引言

数字电子系统使我们的生活丰富多彩，但数字时钟信号也扮演着“反面角色”，即传导噪声源(通过电缆)或电磁辐射干扰(EMI)。由于潜在的噪声问题，电子产品需要经过相关标准的测试，以确保符合EMI标准。汽车电子产品除了存在EMI兼容性外，还要考虑其它诸多问题，为了简化设计，扩频(SS)振荡器逐渐成为汽车电子仪表、驾驶员与乘客辅助电子产品开发的关注焦点。

扩频振荡器在汽车电子设计中的优势扩频技术能够很好地满足FCC规范和EMI兼容性的要求，EMI兼容性的好坏在很大程度上依赖于测量技术的通带指标。扩频振荡器从根本上解决了峰值能量高度集中的问题，这些能量被分布在噪声基底内，降低了系统对滤波和屏蔽的需求，同时也带来了其它一些好处。高品质的多媒体、音频、视频及无线系统在当今的汽车电子产品中所占的份额越来越大，设计人员不得不考虑分布在这些子系统敏感频段的射频(RF)能量。对于高品质的无线装置，是否能够消除RF峰值能量直接决定了方案的有效性。

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的影响，这种无线装置能够与供电电源进行通信，使电源按照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。在现代汽车电子产品中，随着干扰源数量的增多，很难保证系统之间的协同工作，这种情况由于设备天线的多样化以及对新添子系统放置位置的限制变得更为复杂。

扩频振荡器在数字音频、工厂装配、免提装置等系统中具有独特的优势，这些系统一般采用编解码器改善音频质量，编解码器与蜂窝电话或其它信息处理终端之间通过数字接口连接，如果利用“抖动”(扩频)振荡器作为编解码器的时钟源，能够在非静音情况下消除谐波噪声。这种技术在采用了开关电容编解码器的多媒体系统中很常见。除了抑制谐波噪声外，SS振荡器能够将能量峰值降至噪声基底以内，在无线跳频网络中可减小落入信道内的干扰。

下一代汽车电子产品中，几乎所有的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，而且具有抗震性。其成本与陶瓷谐振器相比极具竞争力，振荡频率从几千赫兹到几十兆赫兹。

汽车电子产品的设计考虑有效控制EMI是电子工程师在产品设计中所面临的关键问题，数字系统时钟是产生EMI的重要“源泉”[1]，主要原因是：时钟一般在系统中具有最高频率，而且常常是周期性方波，时钟引线长度通常也是系统布线中最长的。时钟信号的频谱包括基波和谐波，谐波成份的幅度随着频率的升高而降低。

系统中的其它信号(位于数据或地址总线上的信号)按照与时钟同步的频率刷新，但数据刷新动作发生在不确定的时间间隔，彼此之间不相关。由此产生的噪声频谱占有较宽的频带，噪声幅度也远远低于时钟产生的噪声幅度。虽然这些信号产生的总噪声能量远远高于时钟噪声能量，但它对EMI测试的影响非常小。EMI测试关注的是最高频谱功率密度的幅度，而不是总辐射能量。

实际应用中可以通过滤波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指标。但是，增加滤波器和屏蔽会提高系统的成本，精确的线路板布局需要花费很长时间。解决EMI问题的另一途径是直接从噪声源(通常是时钟振荡器)入手，产生随时间改变的时钟频率可以很容易地降低基波和谐波幅度。

时钟信号的能量是一定的，频率变化的时钟展宽了频谱，因而也降低了各谐波分量的能量。产生这种时钟的简单方法是用三角波调制一个压控振荡器(VCO)，所得到的时钟频谱范围随着三角波幅度的增大而增大。实际应用中需合理选择三角波的重复周期，三角波频率较低时会通过电源向模拟子系统产生耦合噪声;如果选择频率过高三角波，则会干扰数字电路。

图1是基于上述考虑的时钟振荡器原理图，它用一个三角波控制VCO输出频谱的带宽，VCO的中心频率由DAC和可编程8位分频器控制，可以在260kHz至133MHz范围内设置频率。图1所示IC通过2线接口控制，控制字存储在芯片内部的EEPROM内，如果预先将频率设置在所希望的频点，该器件可以工作在单机模式，也可以在其空闲周期内更新频率，这也是它在低功耗应用中的一个优势。

图2给出了普通晶振与扩频时钟振荡器的频谱对照图，通过设置三角波的幅度可以将频谱扩展4%，与晶体时钟振荡器相比峰值幅度降低近25dB。

利用扩频振荡器作为微处理器的时钟源时，须确认微处理器能够接受时钟占控比、上升/下降时间以及其它由于时钟源频率变化所造成的参数容差。当振荡器作为系统的参考时钟使用时(实时时钟或实时监测等)，频率变化可能导致较大误差[2]。

许多便携式消费类产品带有射频功能，如蜂窝电话，扩频技术对于这类产品中的开关电源非常有利。射频电路(特别是VCO)对于电源噪声非常敏感，但便携式产品为了延长电池的使用寿命必须使用开关电源，以提供高效的电压转换。开关电源具有与时钟振荡器相同的噪声频谱，而且，噪声可以直接耦合到射频电路，影响系统的性能指标。

带有外同步功能的升压转换器(如MAX1703)可以用一个扩频时钟控制它的振荡频率，该方案与自激振荡升压转换器的噪声频谱(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在整个10MHz范围内都具有较大的能量，而扩频方案则将谐波分量的幅度降低到噪声基底以内(图4)。值得注意的是，由于总噪声能量是固定的，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?所允许的最大时钟偏移是多少?需要多大的抖动速率?限制抖动速率的因素是什么?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。

相应的调制理论给出了抖动波形与频谱结果之间的简单关系，即：时钟频率的“概率密度函数”与抖动时钟输出的频谱具有相同的形状，锯齿波是一种常见的“加抖”波形，每个加抖周期可以准确地进入每个频点两次。由于每个频点出现的时间比例相同，因此，概率密度函数在整个频率调节范围内随着频率的变化而保持一个常数，得到均匀概率的分布(图1)。

这种抖动波形的频谱相同，频谱能量均匀地分布在一个较窄的频段，对于所允许的(Fmax - Fmin)频率范围来说，这种频谱分布是最佳的，因为它在每个频点所得到的频谱能量是最低的。

这种频谱也可以利用伪随机频率抖动器获得，这种方式通常是产生一个长序列的频率，并以一定的间隔重复，每个频点在一个周期只出现一次，所得到的概率密度分布也是均匀的，与三角抖动器相同。这种方式通常用于其它领域。

频谱衰减考察一个抖动时钟电路的好坏，主要是看窄带频谱中每个频点的能量相对于单音时钟能量降低了多少。本节推导出了一个用于优化均匀扩展频谱波形的关系式。

以下观点有助于理解扩频频谱的能量：1、从单音到抖动时钟的转换不会改变时钟能量，只是加抖后单音时钟的能量被分布在一个较宽的频带内。2、周期性“加抖”时钟的频谱由以“加抖”频率(Fd)为间隔的谐波组成。下式将单音功率均分到整个抖动谐波频段：VRMS (dB) = 20log[sqrt({(F0 * a)/Fd｝*Fu2)]= 10log[{(F0 *a)/Fd ｝]+ 20log[Fu ]，式中：F0是加抖之前的频率，a是相对于非抖动频率的抖动系数，Fu是抖动时钟频带内每个频谱的RMS电压。由此可以得到窄带频段内频谱能量的衰减为： 频谱衰减 = 10log[{(F0 *a)/Fd｝]。

上述方程表明：在允许的抖动时钟带宽(a*F0)内产生的频谱谐波分量越多，频谱的能量就越低。作为一个例子，我们可以考察一下DS1086可编程时钟发生器的抖动结构，DS1086电路中，a = 0.04, F0 = 100MHz, Fd = F0/2048，因此，DS1086的频谱衰减为19.1dB。

注意，增大抖动系数(a)可以达到与降低“加抖”速率相同的目的。另外，该等式既适用于三角波加抖，也适用于伪随机加抖，因为它们具有相同的分布。

抖动限制实际应用中的一些因素会限制频谱能量的衰减量，首先，由于抖动改变了系统定时，存在频率不稳定性，据此，系统定义了对参数“a”的限制。

产生抖动时钟的电路也会限制“加抖”的速率，带有锁相环或其它控制环路(如DS1086)的系统，“加抖”控制电压受控制环路带宽的限制。否则，抖动控制的分布函数将转变成高斯函数，所得到的频谱能量将主要集中在非抖动时钟频率附近。

三角波抖动时钟结构的主频在其抖动速率处，而伪随机抖动时钟结构要求频带高于抖动模板的速率，频率可以从最小值跳到最大值，而三角波模板中频率是连续递增的。环路带宽与抖动速率之间存在以下近似的关系：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的抖动频率。因为抖动速率必须比干扰(以频率抖动形式出现)的窄带检测快，对于相同的检测时间，三角波模板的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最低抖动速率，干扰信号的频带取决于具体应用，抖动频率没有一个确定的下限限制。对于抖动频率下限的另一考虑是抖动速率本身产生的带外噪声。对于线性系统，三角波抖动器不会在抖动速率处产生谐波。但是，如果非线性电路拾取了时钟信号，将会产生一些所不希望的频谱成分，低抖动频率被混频后产生位于有效工作频段的干扰信号。

扩频技术并不用于取代传统的EMI抑制技术，如：滤波、屏蔽和良好的线路板布局。该技术能够从根本上改善系统的性能，特别是对于子系统或外设易受峰值能量干扰的设备。在汽车产品或家庭娱乐设备中能够大大降低射频/TV干扰。良好的PCB布局是系统正常运行的基本保障，扩频时钟则有助于系统通过EMI认证，而且可以减少系统对滤波、屏蔽的需求，降低系统成本。