像雷達,電信,無線網,基站,GPS/北斗,探測儀器產品容易受到電磁波的干擾,因此在選擇組裝的部件時,都要求具備抗信號干擾,抗電磁波干擾的要求.普通的晶體或振蕩器是沒有這樣的功能的,但有一種晶振可以,那就是擴頻振蕩器.什么是擴頻振蕩器呢?它又是如何為產品清除EMI干擾的?本文的目的就是為大家介紹什么是電磁干擾,以及擴頻振蕩器的主要作用,感興趣的客戶可以了解一下.
電磁干擾簡介
設計工程師力求最大限度地減少組件,電路和系統之間的有害干擾.這種干擾包括輻射和傳導射頻(RF)發射.為滿足法律規定的國內和國際監管要求和政府法規,需要滿足干擾要求.當一個裝置的電磁場經由輻射和/或傳導路徑破壞,阻礙或降低另一裝置的電磁場時,電磁干擾(EMI)被定義為自然發生的現象.EMI可能導致兩個或多個電子設備相互干擾并影響其性能和操作.
聯邦通信委員會(FCC)
EMI受美國聯邦通信委員會(FCC)和其他國際監管機構的嚴格監管,其目標是限制EMI電子設備的發射量,防止對人體的損害和電子設備之間的干擾.FCC的A類法規適用于工業應用,B類法規適用于住宅或消費者應用.EMI是來自頻率源的輻射能量的測量值,并且通常在給定頻率下以dBmV/m(分貝-伏特/米)測量.對于較高的輻射能量,該參數較大.因此,從頻率源發出的能量越多,產生的電場和EMI就越大.在定義EMI測量的頻譜時,人們希望區分峰值電磁輻射和平均電磁輻射.平均發射定義為給定頻譜上的平均dBmV/m水平.峰值發射定義為給定頻譜上任何頻率下的最大dBmV/m電平.
今天,FCC法規主要關注給定頻率的峰值發射,而不是給定頻譜上的平均發射.因此,電路設計人員應將其EMI設計工作集中在降低頻譜內給定頻率的峰值發射,而不是頻譜內的總體平均發射.圖1顯示了峰值發射要求(十米)的FCCB類功率(dBμV/m)與頻率(MHz)的關系圖.

電磁干擾和時鐘振蕩器

傳統的非調制振蕩器以預期的輸出頻率產生輸出信號.除了在基頻發射的能量之外,在其諧波頻率處存在大量的輻射電磁發射.這些類型的石英晶體振蕩器還以略低于和高于預期輸出的頻率產生電信號,并在頻譜上輻射電磁波.頻譜范圍取決于振蕩器的機械和電氣設計,電源調節,輸出終端和印刷電路板布局.諸如時鐘振蕩器,鎖相環(PLL)合成器和其他類型的時鐘信號發生裝置的高速頻率源是電子電路中EMI的主要來源.因此,降低EMI是使用這些時鐘發生器件的設計者的主要關注點.
常規PCB設計和EMI降低的制造方法包括多個接地和電源平面,分立元件濾波(抑制)和外殼屏蔽(容納).雖然這些EMI降低方法是有效的,但它們可能對整體產品成本產生重大影響.這些EMI降低技術中的一些的替代方案和傳統非調制有源晶振的使用是在時鐘分配系統中包括擴頻時鐘振蕩器.使用這種振蕩器可以顯著改善EMI并降低整體系統成本.
擴頻時鐘振蕩器具有有意調制的輸出頻率,以降低輸出信號的EMI.擴頻時鐘振蕩器最適用于需要降低EMI輻射以通過FCCEMI規范的應用.擴頻振蕩器降低了時鐘源的EMI,而不是時鐘分配網絡中的下游.通過降低時鐘源的EMI,不需要輔助屏蔽外殼和/或濾波元件,從而降低了組裝成本并提高了系統EMI性能.
通過調制輸出信號,輸出信號上的EMI分布在更大的頻譜上.總能量仍然存在,但輸出功率在頻帶上的擴展導致任何一個頻率的EMI降低.像FCC這樣的監管機構對峰值EMI輻射(即頻譜內任何一個頻率的發射)都有最大限制.因此,時鐘振蕩器可用于通過降低EMI峰值發射來通過FCC監管EMI測試要求.
降低EMI
為了理解擴頻振蕩器的重要性,需要徹底了解頻率調制.圖2顯示了調制和未調制的中心擴頻貼片石英晶振的輸出幅度(功率)與頻率的關系圖.該圖說明了給定調制和未調制擴頻時鐘振蕩器的頻率跨度和幅度之間的重要性.通過在頻譜(跨度)上調制輸出頻率,可以實現輸出幅度的減小.輸出幅度的減小與輻射能量或EMI的減少相關.

圖2:EMI減少圖

影響擴頻時鐘振蕩器的峰值EMI降低量的主要因素是輸出頻率調制寬度.圖3示出了非線性調制擴頻時鐘振蕩器的輸出的輸出頻率與時間的關系圖.輸出頻率具有最小(FMIN),中心(FC)和最大(FMAX)頻率.輸出頻率通過一系列頻率線性掃描,而不是保持在一個恒定頻率.該范圍參數通常稱為輸出調制寬度,輸出頻譜或頻率擴展百分比.

圖3:輸出頻率調制寬度

最小(FMIN)和最大(FMAX)輸出頻率通常表示為相對于中心頻率的百分比(％).ECLIPTEK CRYSTAL公司的時鐘振蕩器提供多種輸出調制寬度選項.調制頻率擴展百分比越寬,能量分配的頻率帶寬越大,因此EMI峰值降低越多.如圖3所示,輸出調制頻率(Fm),通常稱為掃描速率,定義為調制周期的倒數.調制頻率可在系列數據表中找到.

中心和向下傳播調制
貼片振蕩器提供兩種標準輸出頻率調制選項:中心擴展和向下擴展.圖4顯示了這兩個選項的示例.

圖4:中心和向下傳播選項

瞬時輸出中心頻率(FC)是最小頻率之間的近似中點(FMIN)和最大頻率(FMAX).因此,瞬時輸出頻率將始終在FMIN和FMAX之間變化.瞬時最小(FMIN)和最大(FMAX)輸出頻率表示為相對于中心頻率的百分比(％).在圖4中,中心擴展圖提供了具有±1.0％中心擴展百分比的設備的示例.在該示例中,如果FO是100MHz,則FMIN,FC和FMAX的典型頻率將分別是99MHz,100MHz和101MHz.

當系統無法容忍高于標稱頻率的工作頻率時,應考慮向下擴展選項.在圖4中,向下擴展圖提供了具有-2.0％向下擴展百分比的設備的示例.對于這個例子,如果客戶擔心超頻并且最大工作頻率要求為100MHz(FO),則FMIN和FMAX的典型頻率分別為98MHz和100MHz.向下擴展調制的缺點是平均輸出頻率將低于標稱輸出頻率,從而在平均輸出頻率,最大超頻和最大頻率調制幅度之間產生折衷.擴頻石英振蕩器可以顯著降低EMI輻射.振蕩器輸出頻率和頻率擴展百分比是決定系統EMI降低量的因素.可以使用下面的公式估算EMI降低.
EMI降低(db)=10log[S*Fo/RBW]
S=峰值到峰值的傳播百分比
FO=標稱輸出頻率(MHz)
RBW=測量分辨率帶寬(MHz)

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