硅擴頻振蕩器在汽車電子產品中的應用（中）

圖2. 晶體振蕩器頻譜與DS1086 頻譜對照，頻譜擴展4%時相差25dB。

        利用擴頻振蕩器作為微處理器的時鐘源時，須確認微處理器能夠接受時鐘占控比、上升/下降時間以及其他由于時鐘源頻率變化所造成的參數容差。當振蕩器作為系統的參考時鐘使用時(實時時鐘或實時監測等)，頻率變化可能導致較大誤差[2]。

        許多便攜式消費類產品帶有射頻功能，如蜂窩電話，擴頻技術對于這類產品中的開關電源非常有利。射頻電路(特別是VCO)對于電源噪聲非常敏感，但便攜式產品為了延長電池的使用壽命必須使用開關電源，以提供高效的電壓轉換。開關電源具有與時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，影響系統的性能指標。

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

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

圖4. 將MAX1703 升壓轉換器同步到一個擴展頻譜，可以消除尖峰頻譜，是整體噪聲基底升高。

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

        “加抖”波形

        為確保時鐘信號能夠被系統所接受，時鐘抖動范圍一般比較小(<10%)。這樣，“加抖”過程與窄帶FM 調制非常類似。

        相應的調制理論給出了抖動波形與頻譜結果之間的簡單關系，即：時鐘頻率的“概率密度函數”與抖動時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，每個加抖周期可以準確地進入每個頻點兩次。由于每個頻點出現的時間比例相同，因此，概率密度函數在整個頻率調節范圍內隨著頻率的變化而保持一個常數，得到均勻概率的分布(圖1)。

        這種抖動波形的頻譜相同，頻譜能量均勻地分布在一個較窄的頻段，對于所允許的(Fmax - Fmin)頻率范圍來說，這種頻譜分布是最佳的，因為它在每個頻點所得到的頻譜能量是最低的。

        這種頻譜也可以利用偽隨機頻率抖動器獲得，這種方式通常是產生一個長序列的頻率，并以一定的間隔重復，每個頻點在一個周期只出現一次，所得到的概率密度分布也是均勻的，與三角抖動器相同。這種方式通常用于其他領域。

        頻譜衰減

        考察一個抖動時鐘電路的好壞，主要是看窄帶頻譜中每個頻點的能量相對于單音時鐘能量降低了多少。本節推導出了一個用于優化均勻擴展頻譜波形的關系式。

        以下觀點有助于理解擴頻頻譜的能量：1、從單音到抖動時鐘的轉換不會改變時鐘能量，只是加抖后單音時鐘的能量被分布在一個較寬的頻帶內。2、周期性“加抖”時鐘的頻譜由以“加抖”頻率(F_d)為間隔的諧波組成。

        下式將單音功率均分到整個抖動諧波頻段：

        V_RMS (dB) = 20log[sqrt({(F₀ * a)/F_d}*V_u²)]= 10log[{(F₀ *a)/F_d }]+ 20log[V_u²],

        式中：F₀是加抖之前的頻率，a 是相對于非抖動頻率的抖動系數，V_u 是抖動時鐘頻帶內每個頻譜的RMS 電壓。由此可以得到窄帶頻段內頻譜能量的衰減為：