頻率元件光是石英晶振就可以分為好大分類,大類則主要為無源晶振和有源晶振,所謂有源晶振既是帶有電壓功能的石英晶體振蕩器,按照其功能還可進(jìn)行分類,該篇文章主要的目的是介紹關(guān)于電磁干擾時鐘振蕩器及時鐘振蕩器可以顯著降低電磁干擾發(fā)射

電磁干擾簡介
  設(shè)計工程師尋求最小化組件,電路和系統(tǒng)之間的有害干擾.這種干擾包括輻射和傳導(dǎo)射頻發(fā)射.為了滿足法律規(guī)定的國內(nèi)和國際監(jiān)管要求以及政府法規(guī),需要滿足干擾要求.
  電磁干擾被定義為當(dāng)一個設(shè)備的電磁場通過輻射和/或傳導(dǎo)路徑干擾,阻礙或降低另一個設(shè)備的電磁場時自然發(fā)生的現(xiàn)象.電磁干擾會導(dǎo)致兩個或多個電子設(shè)備相互干擾,并影響它們的性能和操作.
  聯(lián)邦通信委員會
  電磁干擾受到美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)和其他國際監(jiān)管機構(gòu)的嚴(yán)格監(jiān)管,這些機構(gòu)的目標(biāo)是限制電子設(shè)備發(fā)射的電磁干擾量,防止對人體的傷害和電子設(shè)備之間的干擾.聯(lián)邦通信委員會的甲級法規(guī)適用于工業(yè)應(yīng)用,乙級法規(guī)適用于住宅或消費者應(yīng)用.
  電磁干擾是對頻率源輻射能量的測量,通常在給定頻率下以dBmV/m(分貝-伏特每米)為單位進(jìn)行測量.輻射能量越大,該參數(shù)越大.因此,晶振頻率源發(fā)射的能量越多,產(chǎn)生的電場和電磁干擾就越大.定義電磁干擾測量的頻譜時,需要區(qū)分峰值電磁輻射和平均電磁輻射.平均發(fā)射被定義為給定頻譜上的平均dBmV/m水平.峰值發(fā)射定義為給定頻譜內(nèi)任何頻率下的最大dBmV/m水平.
  如今,聯(lián)邦通信委員會的法規(guī)主要關(guān)注給定頻率下的貼片晶振峰值發(fā)射,而不是給定頻譜上的平均發(fā)射.因此,電路設(shè)計人員應(yīng)將其電磁干擾設(shè)計工作集中于降低頻譜內(nèi)給定頻率的峰值發(fā)射,而不是頻譜內(nèi)的總平均發(fā)射.圖1顯示了在峰值發(fā)射要求(十米處)下,功率(分貝/米)對頻率(兆赫)的催化裂化二級曲線圖.

圖1 :催化裂化乙類峰值排放

電磁干擾和時鐘振蕩器
  傳統(tǒng)的非調(diào)制振蕩器以預(yù)期的輸出頻率產(chǎn)生輸出信號.除了基頻發(fā)射的能量之外,在其諧波頻率上還有大量輻射電磁發(fā)射.這些類型的石英晶體振蕩器還產(chǎn)生頻率略低于和高于預(yù)期輸出的電信號,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(shè)計,電源調(diào)節(jié),輸出端接和印刷電路板布局.
  高速頻率源,如時鐘振蕩器,鎖相環(huán)(鎖相環(huán))合成器和其他類型的時鐘信號發(fā)生裝置,是電子電路中電磁干擾的主要來源.因此,減少電磁干擾是利用這些時鐘發(fā)生器件的設(shè)計者主要關(guān)心的問題.
  減少電磁干擾的傳統(tǒng)印刷電路板設(shè)計和制造方法包括多個接地層和電源層,分立元件濾波(抑制)和外殼屏蔽(密封).雖然這些減少電磁干擾的方法是有效的,但它們會對整體產(chǎn)品成本產(chǎn)生重大影響.這些電磁干擾降低技術(shù)和傳統(tǒng)非調(diào)制振蕩器的使用的一個替代方案是在時鐘分配系統(tǒng)中包括擴頻時鐘振蕩器.使用這種振蕩器可以顯著改善電磁干擾并降低整體系統(tǒng)成本.
  擴頻時鐘振蕩器具有有意調(diào)制的輸出頻率,以便降低輸出信號的電磁干擾.擴頻時鐘振蕩器最適用于需要減少電磁干擾發(fā)射以通過聯(lián)邦通信委員會電磁干擾法規(guī)的應(yīng)用.
  擴頻振蕩器降低時鐘源的電磁干擾,而不是時鐘分配網(wǎng)絡(luò)中的下游.通過降低時鐘源處的電磁干擾,不需要附加的屏蔽外殼和/或過濾部件,降低了組裝成本并提高了系統(tǒng)電磁干擾性能.
  通過調(diào)制輸出信號,輸出信號上的電磁干擾擴散到更大的頻譜上.總能量仍然存在,但是輸出功率在頻帶上的擴展導(dǎo)致任何一個頻率上的電磁干擾減少.像聯(lián)邦通信委員會這樣的監(jiān)管機構(gòu)對電磁干擾峰值發(fā)射(即在頻譜內(nèi)的任何一個頻率上的發(fā)射)有最大限制.因此,時鐘振蕩器可以通過降低電磁干擾峰值發(fā)射來通過聯(lián)邦通信委員會的電磁干擾測試要求.
  電磁干擾降低
  為了理解時鐘振蕩器的重要性,需要徹底了解頻率調(diào)制.圖2顯示了調(diào)制和非調(diào)制中心擴頻時鐘振蕩器的輸出幅度(功率)與頻率的關(guān)系圖.該圖說明了給定調(diào)制和非調(diào)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(diào)制輸出頻率,可以實現(xiàn)輸出幅度的減小.輸出幅度的降低與輻射能量或電磁干擾的降低相關(guān).

圖2:電磁干擾降低圖

影響擴頻時鐘振蕩器峰值電磁干擾降低量的主要因素是輸出頻率調(diào)制寬度.圖3顯示了非線性調(diào)制擴頻時鐘振蕩器輸出的輸出頻率對時間的曲線圖.輸出頻率有最小頻率,中心頻率和最大頻率.輸出頻率線性掃過一系列頻率,而不是保持在一個恒定頻率.這個范圍參數(shù)通常稱為輸出調(diào)制寬度,輸出頻譜或頻率擴展百分比.

圖3:輸出調(diào)頻寬度

最小輸出頻率和最大輸出頻率通常以相對于中心頻率的百分比(%)表示.ECLIPTEK晶振提供許多輸出調(diào)制寬度選項.調(diào)制頻率擴展百分比越寬,能量分布的頻率帶寬越大,因此電磁干擾峰值降低越多.
如圖3所示,輸出調(diào)制頻率(Fm)通常稱為掃描速率,定義為調(diào)制周期的倒數(shù).調(diào)制頻率可在系列數(shù)據(jù)表中找到.
  中心和下擴展調(diào)制
  時鐘振蕩器提供兩種標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率調(diào)制選項:中心擴展和下擴展.圖4顯示了這兩個選項的示例.

圖4:居中和向下擴展選項

瞬時輸出中心頻率是最小頻率和最大頻率之間的近似中點.因此,瞬時輸出頻率將始終在FMIN和FMAX之間變化.瞬時最小輸出頻率和最大輸出頻率以相對于中心頻率的百分比(%)表示.在圖4中,中心分布圖提供了一個中心分布百分比為1.0%的設(shè)備示例.在本例中,如果頻率為100兆赫,頻率為100兆赫,頻率為99兆赫,頻率為100MHZ OSC晶振,頻率為101兆赫.
  當(dāng)系統(tǒng)不能容忍高于標(biāo)稱頻率的工作頻率時,應(yīng)考慮向下擴展選項.在圖4中,向下擴展圖提供了一個向下擴展百分比為-2.0%的設(shè)備示例.對于本例,如果客戶擔(dān)心過時鐘,并且最大工作頻率要求為100MHz,則FMIN和FMAX的典型頻率分別為98MHz和100MHz.下擴展調(diào)制的缺點是,平均輸出頻率將低于標(biāo)稱輸出頻率,從而在平均輸出頻率,最大過時鐘和最大頻率調(diào)制幅度之間形成平衡.
   時鐘振蕩器可以顯著降低電磁干擾發(fā)射.振蕩器輸出頻率和頻率擴展百分比是決定系統(tǒng)電磁干擾減少量的因素.電磁干擾降低的估計可以用下面的公式進(jìn)行.
  其中:S=峰峰值擴展百分比FO=標(biāo)稱輸出頻率(單位為兆赫)RBW=測量分辨率帶寬(單位為兆赫)電磁干擾減少量(分貝)=10log[秒*Fo/RBW]