硅擴頻振蕩器在汽車電子產品中的應用

引言

數字電子系統使我們的生活豐富多彩，但數字時鐘信號也扮演著“反面角色”，即傳導噪聲源(通過電纜)或電磁輻射干擾(EMI)。由于潛在的噪聲問題，電子產品需要經過相關標準的測試，以確保符合EMI標準。汽車電子產品除了存在EMI兼容性外，還要考慮其它諸多問題，為了簡化設計，擴頻(SS)振蕩器逐漸成為汽車電子儀表、駕駛員與乘客輔助電子產品開發的關注焦點。

擴頻振蕩器在汽車電子設計中的優勢擴頻技術能夠很好地滿足FCC規范和EMI兼容性的要求，EMI兼容性的好壞在很大程度上依賴于測量技術的通帶指標。擴頻振蕩器從根本上解決了峰值能量高度集中的問題，這些能量被分布在噪聲基底內，降低了系統對濾波和屏蔽的需求，同時也帶來了其它一些好處。高品質的多媒體、音頻、視頻及無線系統在當今的汽車電子產品中所占的份額越來越大，設計人員不得不考慮分布在這些子系統敏感頻段的射頻(RF)能量。對于高品質的無線裝置，是否能夠消除RF峰值能量直接決定了方案的有效性。

多年以來，無線通信產品利用“頻率調節”技術避免電源開關噪聲的影響，這種無線裝置能夠與供電電源進行通信，使電源按照指令改變其開關頻率，將能量峰值搬移到調諧器輸入頻段以外。在現代汽車電子產品中，隨著干擾源數量的增多，很難保證系統之間的協同工作，這種情況由于設備天線的多樣化以及對新添子系統放置位置的限制變得更為復雜。

擴頻振蕩器在數字音頻、工廠裝配、免提裝置等系統中具有獨特的優勢，這些系統一般采用編解碼器改善音頻質量，編解碼器與蜂窩電話或其它信息處理終端之間通過數字接口連接，如果利用“抖動”(擴頻)振蕩器作為編解碼器的時鐘源，能夠在非靜音情況下消除諧波噪聲。這種技術在采用了開關電容編解碼器的多媒體系統中很常見。除了抑制諧波噪聲外，SS振蕩器能夠將能量峰值降至噪聲基底以內，在無線跳頻網絡中可減小落入信道內的干擾。

下一代汽車電子產品中，幾乎所有的子系統都傾向于利用SS時鐘技術改善系統性能，降低EMI。針對這種應用，Maxim/Dallas推出了全硅振蕩器，這種振蕩器能夠可靠啟振，而且具有抗震性。其成本與陶瓷諧振器相比極具競爭力，振蕩頻率從幾千赫茲到幾十兆赫茲。

汽車電子產品的設計考慮有效控制EMI是電子工程師在產品設計中所面臨的關鍵問題，數字系統時鐘是產生EMI的重要“源泉”[1]，主要原因是：時鐘一般在系統中具有最高頻率，而且常常是周期性方波，時鐘引線長度通常也是系統布線中最長的。時鐘信號的頻譜包括基波和諧波，諧波成份的幅度隨著頻率的升高而降低。

系統中的其它信號(位于數據或地址總線上的信號)按照與時鐘同步的頻率刷新，但數據刷新動作發生在不確定的時間間隔，彼此之間不相關。由此產生的噪聲頻譜占有較寬的頻帶，噪聲幅度也遠遠低于時鐘產生的噪聲幅度。雖然這些信號產生的總噪聲能量遠遠高于時鐘噪聲能量，但它對EMI測試的影響非常小。EMI測試關注的是最高頻譜功率密度的幅度，而不是總輻射能量。

實際應用中可以通過濾波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指標。但是，增加濾波器和屏蔽會提高系統的成本，精確的線路板布局需要花費很長時間。解決EMI問題的另一途徑是直接從噪聲源(通常是時鐘振蕩器)入手，產生隨時間改變的時鐘頻率可以很容易地降低基波和諧波幅度。

時鐘信號的能量是一定的，頻率變化的時鐘展寬了頻譜，因而也降低了各諧波分量的能量。產生這種時鐘的簡單方法是用三角波調制一個壓控振蕩器(VCO)，所得到的時鐘頻譜范圍隨著三角波幅度的增大而增大。實際應用中需合理選擇三角波的重復周期，三角波頻率較低時會通過電源向模擬子系統產生耦合噪聲;如果選擇頻率過高三角波，則會干擾數字電路。

圖1是基于上述考慮的時鐘振蕩器原理圖，它用一個三角波控制VCO輸出頻譜的帶寬，VCO的中心頻率由DAC和可編程8位分頻器控制，可以在260kHz至133MHz范圍內設置頻率。圖1所示IC通過2線接口控制，控制字存儲在芯片內部的EEPROM內，如果預先將頻率設置在所希望的頻點，該器件可以工作在單機模式，也可以在其空閑周期內更新頻率，這也是它在低功耗應用中的一個優勢。

圖2給出了普通晶振與擴頻時鐘振蕩器的頻譜對照圖，通過設置三角波的幅度可以將頻譜擴展4%，與晶體時鐘振蕩器相比峰值幅度降低近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/下降時間以及其它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。

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。