概述：本文翻譯自賽普拉斯以及安森美相關(guān)技術(shù)文檔，只為大家更加了解展頻相關(guān)的基本原理。? ? 文章后面有參考鏈接，謝謝。

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在過去的幾十年里,?越來越多的應用正在數(shù)字化。數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)非常簡單,?因為它完全是關(guān)于邏輯的；但是,?隨著信號速度的增加,復雜性呈指數(shù)級增長,?特別是時鐘同步、建立和保持時間、抖動等。這些問題不僅影響單個子系統(tǒng)的功能，而且在高頻設(shè)備接近時會導致電磁干擾?(EMI)。

圖1顯示了電視接收上的DVD播放機引起的?EMI?的典型示例。

EMI?是一種不受歡迎的系統(tǒng)響應,?因為它要么是本身電磁輻射,?也可以是外部源發(fā)出的輻射。這種不良的響應或干擾可能會中斷和降低任何電子系統(tǒng)的有效性能,?并可能導致整個系統(tǒng)故障。因此,?控制任何電子系統(tǒng)中的電磁干擾?(EMI)?已成為電子系統(tǒng)設(shè)計人員的一個重要設(shè)計問題。

設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)時遇到的大多數(shù)問題都與系統(tǒng)的時鐘直接或間接相關(guān)。時鐘信號是最高頻率信號、高擺率（上升速率很快）和周期性信號?(通常為50%?占空比),?因此成為?EMI?的最大貢獻者和主要來源。此外速度要求的提高會產(chǎn)生更高的電磁能量輻射。為了保持對這種輻射的控制,?全球有幾個監(jiān)管機構(gòu)管理各種?EMI?標準,?以確保任何電子設(shè)備不會對其他設(shè)備的運行造成問題。這些機構(gòu)對允許的最大輻射發(fā)射規(guī)定了限制,?各國的輻射排放可能不同。請注意,?允許的最大輻射不是指平均發(fā)射,?而是指峰值發(fā)射，QP準峰值。任何違反此限制的單頻都將導致設(shè)備無法通過合規(guī)性測試。

目前，已經(jīng)推出了多種方法來解決?EMI?和減少輻射排放。其中包括屏蔽、濾波、隔離、鐵氧體磁珠、速率控制以及使用附加電源層和地面在較好的良好PCB布局中。這些方法可以單獨使用,?也可以與其他方法一起使用。雖然屏蔽似乎是減少?EMI?的一個相對簡單的方法,?但它是一種機械實現(xiàn),?成本很高,?根本不適合便攜式（Portable）和手持（Handheld）設(shè)備。

在低頻下,?濾波和降低速率可能是一種有效的方法,?但在今天采用的信號轉(zhuǎn)換/傳輸速率下,?這可能不是一種有效的方法。精確的?pcb?布局技術(shù),?就其本身而言,?往往是耗時和針對特殊系統(tǒng),?這意味著一種布局技術(shù)在一個系統(tǒng)中使用，且可能不會完全轉(zhuǎn)移/移植到另一個系統(tǒng)。

展頻是另一種方法,?可以有效地用于降低?EMI?輻射。

SPREAD?SPECTRUM?CLOCK?GENERATORS?

利用展頻技術(shù),?窄帶時鐘信號的集中能量分布在更寬的帶寬上,?減少了輻射峰值發(fā)射。展頻理解為為輸入?yún)⒖紩r鐘的頻率調(diào)制,?具有可控頻率偏差?(△f)?和調(diào)制速率,其中輸出調(diào)制時鐘在兩個固定頻率點之間反復地重復其頻率,?如圖2所示。

由于信號中包含的總能量保持不變,?并分布在一個頻率范圍內(nèi),?因此任何特定頻率的峰值發(fā)射都會減少。

隨著頻帶的變寬,?峰值能量也隨之減少。使用這種技術(shù)可以實現(xiàn)約2db?至18db?的峰值?EMI?減少。這種展頻（?Spread?Spectrum）時鐘的時鐘發(fā)生器稱為展頻時鐘發(fā)生器?(SSCG)（Spread?Spectrum?Clock?Generators）。

Spread?Spectrum，有些稱為擴頻，有些稱為展頻。

使用展頻技術(shù)的最大優(yōu)點是,?通常與源時鐘同步并從源時鐘派生的其他計時、數(shù)據(jù)、地址和控制信號也會進行調(diào)制,?從而在整個過程中顯著減少系統(tǒng)EMI。低成本和不同類型的系統(tǒng)之間的可移植性是擴頻時鐘的一些主要優(yōu)點。

傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘有一個非常高的Q因子,?這意味著所有的能量集中在一個非常狹窄的頻率帶寬,?導致更高的能量峰值。當在頻譜密度的頻域中觀察時,?可以清楚地觀察到中心頻率處的一個較高的窄峰,?以及位于諧波頻率兩側(cè)的其他相對較小但又相對較窄的峰值。

SSCG采用通過增加時鐘帶寬和降低Q因子來降低時鐘峰值能量的方法。SSCG將窄帶數(shù)字時鐘信號帶到輸入端,?并生成一個輸出時鐘,?以精確的調(diào)制速率在可控啟動頻率和終止頻率之間進行掃描。在實際應用中,?時鐘頻率的調(diào)制速率為?30?khz?至?120?khz。選擇此調(diào)制速率時,?它將保持在音頻頻段的上方,?以避免對音頻頻率的任何干擾,?并且不會導致系統(tǒng)出現(xiàn)任何類型的跟蹤?(例如建立、保持時間)?問題。

EMI?的減少與時鐘的展頻量成正比。展頻量通常以百分比來量化,?并定義為兩個邊界頻率?(△f)?與時鐘目標頻率?(fo)?之間的比率。

圖3顯示了不同展頻量的?EMI?輻射。

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在大多數(shù)系統(tǒng)中,?造成問題的是基頻的諧波。幸運的是,?SSCG?不僅降低了基本時鐘頻率的?EMI,?而且還降低了諧波頻率的輻射。事實上,?與基頻時的衰減相比,?高階諧波的峰值能量衰減更為突出。

出現(xiàn)這種情況的原因是,?對于固定的展頻寬度,?在較高的頻率值?(即只是中心頻率的整數(shù)乘法)?時,?頻帶會變得更寬,?從而導致輻射能量的更多減少,?如圖所示4.?

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展開剖面的選擇對用展頻技術(shù)確定峰值能量含量的減少也至關(guān)重要。展頻輪廓只不過是調(diào)制信號?(傳播時鐘)?的頻率變化相對于時間的包絡。

從設(shè)計的角度來看,?三角形輪廓很容易實現(xiàn),?但使用該輪廓產(chǎn)生的頻譜的側(cè)瓣比中心部分高出約?1-2db,?如圖5a?所示。

如前所述,?即使一個頻率分量超出了允許的最大輻射限制,?設(shè)備也會無法達到?EMI?標準。因此,?在某些工作條件下,?包含頻譜側(cè)葉峰值發(fā)射的三角形擴散輪廓可能違反規(guī)范。

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使用Hershey?kiss?(?Lexmark?)?擴展輪廓?(見圖?5b)，有更多的?EMI?減少,?可以獲得幾乎平坦的頻譜。

Hershey?kiss頻譜傳播輪廓有一個獨特的形狀,?時鐘頻率掃描在一個較高的速度附近的開始和結(jié)束頻率點,?并在中心減速。

由于兩個邊界點附近的頻率變化率較高,?兩個側(cè)瓣衰減,?減少的能量分布在頻譜的中心平面部分。這導致了一個巨大的變化,?通過近似扁平的整個能量譜。

如圖所示,?Hershey?kiss頻譜傳播輪廓提供了進一步的?1.13?db?減少。根據(jù)實際頻率值,?這種減少幅度會更高。

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TYPES?OF?SPREAD?

根據(jù)起始頻率和停止頻率相對的位置,?SSCG可分為以下三類:

1）Down?Spread：

向下調(diào)節(jié)參考時鐘,?并將調(diào)制信號的最大頻率限制為參考時鐘的頻率。適用于頻率敏感且已以其最大速度運行的應用。

Down?spread?(%)?=?(Δf?/?fo)?*?100,???where?Δf?=?fref-?fmin

For?example,?a?100?MHz?clock?with?a??1%?modulation?depth?indicates?that?the?modulated?clock?is?varying?over?a?band?of?99?MHz?to?100?MHz.

向下展頻提供了展頻時鐘,?同時保持了系統(tǒng)中允許的最大頻率。

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2）Center?Spread

圍繞參考頻率對稱地調(diào)節(jié)輸出時鐘?(即輸出頻率將在中心頻率之上和下方增加或減少相同的量)。

1%?的中心點差將提供2%?的總變化,?高于1%?的變化,?并在參考頻率以下提供1%?的變化。

Center?spread?(%)?=???(Δf?/?fo)?*?100,??where?Δf?=?fmax-?fmin

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FOR?Example：a?100?MHz?clock?with?a?±1%?modulation?depth?indicates?that?the?modulated?clock?is?varying?over?a?band?of?99?MHz?to?101?MHz.

在頻率限制不適用的系統(tǒng)中,?中心傳播非常有用。

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3）UP?Spread

向上展頻正好相反。通過將下限限制為參考時鐘,?對參考時鐘進行向上調(diào)制。

Up?spread?(%)?=?(Δf?/?fo)?*?100,???where?Δf?=?fmax-?fref

For?example,?a?100?MHz?clock?with?a?+1%?modulation?depth?indicates?that?the?modulated?clock?is?varying?over?a?band?of?100?MHz?to?101?MHz

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PRECAUTIONS?WHILE?USING?SPREAD?SPECTRUM?CLOCK:?

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1、Jitter：

使用擴頻時鐘的一個重要缺點是,?它不能用于時鐘精度是主要關(guān)注的系統(tǒng);例如:

用于以太網(wǎng)或?CAN總線應用。工程師在選擇展頻時鐘和展頻量時必須特別小心,?因為這可能會給時鐘信號帶來大量的抖動。此抖動可能會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生負面影響,?從而導致嚴重的建立和保持時間沖突、較高的位錯誤率和?PLL解鎖問題。

抖動可以是不同的類型,?并且可以對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不同的影響。

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1）Period?Jitter

Pj?指的是時鐘輸出從其理想位置轉(zhuǎn)換的最大變化。

Pj?通常被測量為峰值至高峰期的變化隨著時間的推移進行評估,?通常是一萬個周期,?這只是最早和最新邊緣之間的差異。

周期抖動會降低計時預算,?從而影響同步系統(tǒng)的性能。

時鐘周期與其理想位置的變化也可能導致數(shù)據(jù)設(shè)置和保持時間沖突。

調(diào)制為1%?上角的?100?MHz?時鐘信號的總頻率變化?(f)?為?1MHz,?啟動頻率為?100MHz,?停止頻率為101MHz。

這對應于從?9.9?ns?到10ns?的時期的變化。

因此,?理想的傳播時鐘將有?0.1ns?(100ps)?的峰值至高峰時段抖動。

隨著點差量的增加或時鐘頻率增量保持不變,?總頻率變化按比例增加,?因此?Pj?可能違反某些計時參數(shù)。

這里必須注意的是,?這里提到的?Pj?只是由于傳播時鐘而引入的?Pj。

設(shè)備本身可以添加自己的固有抖動,?使總抖動高于上述估計。

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2）Long?Term?Jitter

LTJ?類似于周期抖動,?但表示時鐘輸出轉(zhuǎn)換在多個周期內(nèi)從其理想位置的最大變化。

雖然它適用于一些特定的應用,?但對于擴頻信號來說,?它變得至關(guān)重要,?因為在這些信號中,?定時邊緣可能會在時間上與理想位置顯著偏移。

在驅(qū)動顯示的圖形卡上可以看到?LTJ問題的最佳示例:?過多的?LTJ可能會導致像素數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)從其所需位置移動。

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3）Cycle?to?Cycle?Jitter

CTCJ是另一種抖動類型，定義為時鐘輸出從前一周期中相應位置的轉(zhuǎn)換。CTCJ在通信系統(tǒng)或ADC電路中是最不希望的，其中輸入信號在特定情況下被采樣并且根據(jù)采樣值被數(shù)字化。采樣時鐘中的CTCJ可能導致輸入從期望的實例中被采樣，導致輸出數(shù)據(jù)流中的位錯誤。

展頻時鐘實際上向時鐘引入了微不足道的CTCJ。

調(diào)制速率非常慢，在30khz至120khz之間，與參考時鐘頻率相比至少慢一千倍，完成一個調(diào)制周期需要超過一千個時鐘周期，

相鄰周期之間可忽略不計的周期差異。

但是，器件本身可能會將自己的固有CTCJ添加到輸出時鐘。展頻技術(shù)對系統(tǒng)的貢獻小于CTCJ的0.05％。因此，SSCG可能非常適合需要低CTCJ，低誤碼率和低EMI的系統(tǒng)。

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2、SPREAD?SPECTRUM?WITH?PLL:?

必須采取額外預防措施的另一個領(lǐng)域是那些PLL器件。PLL具有低通濾波器的特性，允許輸入頻率的低速變化通過，同時衰減高于其帶寬的高頻變化。

由于展頻有目的地調(diào)制時鐘，因此PLL可能難以保持對輸入展頻時鐘的鎖定。下游PLL必須能夠跟蹤頻率變化以通過調(diào)制時鐘。這取決于PLL的帶寬。如果PLL的帶寬太低，PLL將無法可靠地跟蹤輸入信號，從而導致跟蹤偏斜，從而為系統(tǒng)增加更多的抖動。

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PROGRAMMABLE?SSCGs:

可編程性提供了靈活性和簡單的庫存管理。?通過時鐘發(fā)生器芯片上的編程選項（例如可配置的驅(qū)動強度），系統(tǒng)設(shè)計人員可以根據(jù)應用要求輕松更改時鐘邊沿的驅(qū)動強度（上升/下降時間）。

這可能有助于進一步降低EMI。市場上有SSCG具有更多的和解編程選項，系統(tǒng)設(shè)計人員可以在這些選項中更改擴展量，擴展配置文件類型，擴展開/關(guān)，擴展類型和輸出時鐘頻率等參數(shù)。

可編程SSCG的另一個主要優(yōu)點是可以將多個獨特的可編程頻率輸出集成到單個芯片中，從而消除了大量晶體并降低了總體成本。根據(jù)應用，設(shè)計人員可以使用單個SSCG為每個子系統(tǒng)提供具有不同屬性的時鐘，從而縮短產(chǎn)品上市時間并降低成本。

綜述

SSCG----Spread?Spectrum?Clock?Generation

1.擴頻時鐘生成是一種方法，通過該方法，時鐘源窄帶中包含的能量以受控方式擴展到更寬的頻帶，從而降低基波和諧波的峰值頻譜幅度，從而降低時鐘的輻射發(fā)射。

2.這是通過使用獨特波形對時鐘進行頻率調(diào)制來實現(xiàn)的。

3.Linear和Hershey?Kiss配置文件通常用于實現(xiàn)峰值EMI降低。

4.通過以受控方式改變頻帶上的時鐘頻率，降低了信號在給定頻率下所花費的時間，從而降低了任何頻率下的能量集中。

5.因此，能量在頻帶上擴展，降低了峰值幅度。

6.常見的，DDR、eMMC、HDMI這些都會使用到展頻來降低EMI，使得有更高的EMI裕量。

Reference：

1、https://www.cypress.com/file/106246/download

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通过展频降低系统EMI的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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