摘要：降低電磁干擾(EMI)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的一個(gè)重要因素，擴(kuò)頻時(shí)鐘(CLK)為降低EMI提供了一個(gè)有效途徑。本文給出了擴(kuò)頻CLK的定義和估算EMI抑制性能的簡(jiǎn)單公式。所提供的公式經(jīng)過Maxim CLK發(fā)生器MAX9492的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

數(shù)字信號(hào)有兩種主要形式：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)字是鐘(CLK)。

數(shù)字信號(hào)是當(dāng)前數(shù)字電子產(chǎn)品中的主要信號(hào)形式，通常為單端信號(hào)，CMOS或TTL電平。我們觀察到的數(shù)字信號(hào)一般是一串寬度不同的脈沖，時(shí)鐘信號(hào)通常是具有相同脈寬的矩形脈沖。

數(shù)字信號(hào)和CLK信號(hào)的頻譜成份包含有高次諧波，信號(hào)本身及其諧波共同在電子系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間產(chǎn)生了電磁干擾(EMI)。降低EMI的一條簡(jiǎn)單、有效途徑是使CLK頻率產(chǎn)生抖動(dòng)[1, 2]。本應(yīng)用筆記介紹了擴(kuò)頻CLK (MAX9492)，并提供了一種利用時(shí)鐘參數(shù)指標(biāo)快速計(jì)算EMI抑制的方法。

擴(kuò)頻CLK: 定義和測(cè)量

為了考察抖動(dòng)時(shí)鐘的擴(kuò)展頻譜，我們定義了以下擴(kuò)頻CLK參數(shù)：擴(kuò)展率、擴(kuò)頻類型、調(diào)制率和調(diào)制波形。擴(kuò)展率是頻率抖動(dòng)(或擴(kuò)展)范圍與原CLK頻率(fC)的比值。擴(kuò)頻類型指向下擴(kuò)頻、中心擴(kuò)頻或向上擴(kuò)頻。假設(shè)擴(kuò)頻范圍為Δf，則擴(kuò)展率δ定義為：

向下擴(kuò)頻: δ = -Δf /fC x 100%

中心擴(kuò)頻: δ = ±1/2Δf/fC x 100%

向上擴(kuò)頻: δ = Δf/fC x 100%

調(diào)制率，fm，用于確定CLK頻率擴(kuò)展周期率，在該周期內(nèi)CLK頻率變化Δf 并返回到初始頻率。調(diào)制波形代表CLK頻率隨時(shí)間的變化曲線，通常為鋸齒波。圖1給出了調(diào)制波形及其與δ 和fm的關(guān)系式。


圖1. 擴(kuò)頻CLK頻譜

為了得到平坦的CLK頻譜，一種稱為“Hershey Kiss?”的特殊曲線被用作調(diào)制波形(圖2)。


圖2. “Hershey Kiss”調(diào)制波形

利用圖1或圖2所示波形擴(kuò)展后的時(shí)鐘在擴(kuò)頻范圍內(nèi)具有平坦的功率譜密度。圖3所示曲線是MAX9492經(jīng)過擴(kuò)頻和未經(jīng)擴(kuò)頻情況下的時(shí)鐘頻譜。擴(kuò)頻情況下，擴(kuò)展率δ為-2.5%―向下擴(kuò)頻；調(diào)制率fm為30kHz，CLK標(biāo)稱頻率fC為133.33MHz。該頻譜曲線是采用Rohde & Schwarz頻譜分析儀測(cè)試得到的，其中分辨率帶寬為100kHz，掃描頻率為10Hz。從測(cè)試結(jié)果可以看出：頻譜峰值降低了大約13dB，與fC諧波的衰減量相同。這說明擴(kuò)頻后的CLK能夠在頻譜峰值處提供13dB的EMI抑制。


圖3. MAX9492擴(kuò)頻和未擴(kuò)頻情況下的頻譜

EMI抑制估算

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要了解EMI抑制與擴(kuò)頻CLK參數(shù)之間的關(guān)系，為了得到這個(gè)關(guān)系式，我們需要首先計(jì)算擴(kuò)頻CLK的頻譜。根據(jù)上述定義，信號(hào)頻譜是與頻率相關(guān)的功率密度。為了簡(jiǎn)化分析，我們只考慮CLK信號(hào)的基本諧波。對(duì)于未經(jīng)擴(kuò)頻的CLK，可以表示為：



對(duì)于擴(kuò)頻CLK可以表示為：



式中， 是調(diào)制波形。未經(jīng)擴(kuò)頻的CLK頻譜是位于fC的一條譜線，幅度為：



由于該頻譜只是一條譜線，其幅度與頻譜分析儀的分辨率帶寬B無關(guān)。但是，擴(kuò)頻CLK的頻譜幅度取決于分辨率帶寬B。由于擴(kuò)頻CLK的功率在Δf頻帶內(nèi)分布相當(dāng)均勻，利用分辨率帶寬為B的頻譜分析儀測(cè)試得到的功率近似為：



這樣，我們可以得到EMI抑制率S為：

EMI抑制率(dB) (1)

結(jié)合上述擴(kuò)頻CLK參數(shù)：擴(kuò)展率δ、CLK頻率fC和調(diào)制類型，我們可以用下列方法計(jì)算S：

向下或向上擴(kuò)頻: (2a)

中心擴(kuò)頻: (2b)

需要注意的是，當(dāng)fSW << fm << fC時(shí)， EMI抑制率S與調(diào)制率fm無關(guān)，其中，fSW是頻譜分析儀的掃描速率。

例如，MAX9492的δ和fC分別為-2.5%和133.3MHz，代入公式(2a)，可以計(jì)算出EMI抑制率：



按照?qǐng)D3所示測(cè)試結(jié)果，EMI峰值降低12.91dB，擴(kuò)展頻譜平均EMI抑制為15.07dB。通常，在估算峰值之間的EMI抑制時(shí)，由于擴(kuò)頻頻譜的波動(dòng)，由式2計(jì)算出的結(jié)果可能會(huì)高出1dB到2dB。對(duì)于峰值和平均EMI抑制，計(jì)算值非常接近測(cè)量值。

利用EMI抑制的簡(jiǎn)單計(jì)算公式，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)所希望的EMI抑制率、CLK頻率以及電磁兼容性所要求的分辨率帶寬很快計(jì)算出擴(kuò)展率。