像雷達(dá),電信,無(wú)線網(wǎng),基站,GPS/北斗,探測(cè)儀器產(chǎn)品容易受到電磁波的干擾,因此在選擇組裝的部件時(shí),都要求具備抗信號(hào)干擾,抗電磁波干擾的要求.普通的晶體或振蕩器是沒(méi)有這樣的功能的,但有一種晶振可以,那就是擴(kuò)頻振蕩器.什么是擴(kuò)頻振蕩器呢?它又是如何為產(chǎn)品清除EMI干擾的?本文的目的就是為大家介紹什么是電磁干擾,以及擴(kuò)頻振蕩器的主要作用,感興趣的客戶可以了解一下.
電磁干擾簡(jiǎn)介
設(shè)計(jì)工程師力求最大限度地減少組件,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(RF)發(fā)射.為滿足法律規(guī)定的國(guó)內(nèi)和國(guó)際監(jiān)管要求和政府法規(guī),需要滿足干擾要求.當(dāng)一個(gè)裝置的電磁場(chǎng)經(jīng)由輻射和/或傳導(dǎo)路徑破壞,阻礙或降低另一裝置的電磁場(chǎng)時(shí),電磁干擾(EMI)被定義為自然發(fā)生的現(xiàn)象.EMI可能導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)電子設(shè)備相互干擾并影響其性能和操作.
聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)
EMI受美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和其他國(guó)際監(jiān)管機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格監(jiān)管,其目標(biāo)是限制EMI電子設(shè)備的發(fā)射量,防止對(duì)人體的損害和電子設(shè)備之間的干擾.FCC的A類法規(guī)適用于工業(yè)應(yīng)用,B類法規(guī)適用于住宅或消費(fèi)者應(yīng)用.EMI是來(lái)自頻率源的輻射能量的測(cè)量值,并且通常在給定頻率下以dBmV/m(分貝-伏特/米)測(cè)量.對(duì)于較高的輻射能量,該參數(shù)較大.因此,從頻率源發(fā)出的能量越多,產(chǎn)生的電場(chǎng)和EMI就越大.在定義EMI測(cè)量的頻譜時(shí),人們希望區(qū)分峰值電磁輻射和平均電磁輻射.平均發(fā)射定義為給定頻譜上的平均dBmV/m水平.峰值發(fā)射定義為給定頻譜上任何頻率下的最大dBmV/m電平.
今天,FCC法規(guī)主要關(guān)注給定頻率的峰值發(fā)射,而不是給定頻譜上的平均發(fā)射.因此,電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)將其EMI設(shè)計(jì)工作集中在降低頻譜內(nèi)給定頻率的峰值發(fā)射,而不是頻譜內(nèi)的總體平均發(fā)射.圖1顯示了峰值發(fā)射要求(十米)的FCCB類功率(dBμV/m)與頻率(MHz)的關(guān)系圖.

電磁干擾和時(shí)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(hào).除了在基頻發(fā)射的能量之外,在其諧波頻率處存在大量的輻射電磁發(fā)射.這些類型的石英晶體振蕩器還以略低于和高于預(yù)期輸出的頻率產(chǎn)生電信號(hào),并在頻譜上輻射電磁波.頻譜范圍取決于振蕩器的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì),電源調(diào)節(jié),輸出終端和印刷電路板布局.諸如時(shí)鐘振蕩器,鎖相環(huán)(PLL)合成器和其他類型的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生裝置的高速頻率源是電子電路中EMI的主要來(lái)源.因此,降低EMI是使用這些時(shí)鐘發(fā)生器件的設(shè)計(jì)者的主要關(guān)注點(diǎn).
常規(guī)PCB設(shè)計(jì)和EMI降低的制造方法包括多個(gè)接地和電源平面,分立元件濾波(抑制)和外殼屏蔽(容納).雖然這些EMI降低方法是有效的,但它們可能對(duì)整體產(chǎn)品成本產(chǎn)生重大影響.這些EMI降低技術(shù)中的一些的替代方案和傳統(tǒng)非調(diào)制有源晶振的使用是在時(shí)鐘分配系統(tǒng)中包括擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器.使用這種振蕩器可以顯著改善EMI并降低整體系統(tǒng)成本.
擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器具有有意調(diào)制的輸出頻率,以降低輸出信號(hào)的EMI.擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器最適用于需要降低EMI輻射以通過(guò)FCCEMI規(guī)范的應(yīng)用.擴(kuò)頻振蕩器降低了時(shí)鐘源的EMI,而不是時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中的下游.通過(guò)降低時(shí)鐘源的EMI,不需要輔助屏蔽外殼和/或?yàn)V波元件,從而降低了組裝成本并提高了系統(tǒng)EMI性能.
通過(guò)調(diào)制輸出信號(hào),輸出信號(hào)上的EMI分布在更大的頻譜上.總能量仍然存在,但輸出功率在頻帶上的擴(kuò)展導(dǎo)致任何一個(gè)頻率的EMI降低.像FCC這樣的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)峰值EMI輻射(即頻譜內(nèi)任何一個(gè)頻率的發(fā)射)都有最大限制.因此,時(shí)鐘振蕩器可用于通過(guò)降低EMI峰值發(fā)射來(lái)通過(guò)FCC監(jiān)管EMI測(cè)試要求.
降低EMI
為了理解擴(kuò)頻振蕩器的重要性,需要徹底了解頻率調(diào)制.圖2顯示了調(diào)制和未調(diào)制的中心擴(kuò)頻貼片石英晶振的輸出幅度(功率)與頻率的關(guān)系圖.該圖說(shuō)明了給定調(diào)制和未調(diào)制擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器的頻率跨度和幅度之間的重要性.通過(guò)在頻譜(跨度)上調(diào)制輸出頻率,可以實(shí)現(xiàn)輸出幅度的減小.輸出幅度的減小與輻射能量或EMI的減少相關(guān).

圖2:EMI減少圖

影響擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器的峰值EMI降低量的主要因素是輸出頻率調(diào)制寬度.圖3示出了非線性調(diào)制擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器的輸出的輸出頻率與時(shí)間的關(guān)系圖.輸出頻率具有最小(FMIN),中心(FC)和最大(FMAX)頻率.輸出頻率通過(guò)一系列頻率線性掃描,而不是保持在一個(gè)恒定頻率.該范圍參數(shù)通常稱為輸出調(diào)制寬度,輸出頻譜或頻率擴(kuò)展百分比.

圖3:輸出頻率調(diào)制寬度

最小(FMIN)和最大(FMAX)輸出頻率通常表示為相對(duì)于中心頻率的百分比(％).ECLIPTEK CRYSTAL公司的時(shí)鐘振蕩器提供多種輸出調(diào)制寬度選項(xiàng).調(diào)制頻率擴(kuò)展百分比越寬,能量分配的頻率帶寬越大,因此EMI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.

中心和向下傳播調(diào)制
貼片振蕩器提供兩種標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率調(diào)制選項(xiàng):中心擴(kuò)展和向下擴(kuò)展.圖4顯示了這兩個(gè)選項(xiàng)的示例.

圖4:中心和向下傳播選項(xiàng)

瞬時(shí)輸出中心頻率(FC)是最小頻率之間的近似中點(diǎn)(FMIN)和最大頻率(FMAX).因此,瞬時(shí)輸出頻率將始終在FMIN和FMAX之間變化.瞬時(shí)最小(FMIN)和最大(FMAX)輸出頻率表示為相對(duì)于中心頻率的百分比(％).在圖4中,中心擴(kuò)展圖提供了具有±1.0％中心擴(kuò)展百分比的設(shè)備的示例.在該示例中,如果FO是100MHz,則FMIN,FC和FMAX的典型頻率將分別是99MHz,100MHz和101MHz.

當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法容忍高于標(biāo)稱頻率的工作頻率時(shí),應(yīng)考慮向下擴(kuò)展選項(xiàng).在圖4中,向下擴(kuò)展圖提供了具有-2.0％向下擴(kuò)展百分比的設(shè)備的示例.對(duì)于這個(gè)例子,如果客戶擔(dān)心超頻并且最大工作頻率要求為100MHz(FO),則FMIN和FMAX的典型頻率分別為98MHz和100MHz.向下擴(kuò)展調(diào)制的缺點(diǎn)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,最大超頻和最大頻率調(diào)制幅度之間產(chǎn)生折衷.擴(kuò)頻石英振蕩器可以顯著降低EMI輻射.振蕩器輸出頻率和頻率擴(kuò)展百分比是決定系統(tǒng)EMI降低量的因素.可以使用下面的公式估算EMI降低.
EMI降低(db)=10log[S*Fo/RBW]
S=峰值到峰值的傳播百分比
FO=標(biāo)稱輸出頻率(MHz)
RBW=測(cè)量分辨率帶寬(MHz)

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