硅擴(kuò)頻振蕩器在汽車電子產(chǎn)品中的應(yīng)用（中）

圖2. 晶體振蕩器頻譜與DS1086 頻譜對(duì)照，頻譜擴(kuò)展4%時(shí)相差25dB。

        利用擴(kuò)頻振蕩器作為微處理器的時(shí)鐘源時(shí)，須確認(rèn)微處理器能夠接受時(shí)鐘占控比、上升/下降時(shí)間以及其他由于時(shí)鐘源頻率變化所造成的參數(shù)容差。當(dāng)振蕩器作為系統(tǒng)的參考時(shí)鐘使用時(shí)(實(shí)時(shí)時(shí)鐘或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等)，頻率變化可能導(dǎo)致較大誤差[2]。

        許多便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品帶有射頻功能，如蜂窩電話，擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)于這類產(chǎn)品中的開關(guān)電源非常有利。射頻電路(特別是VCO)對(duì)于電源噪聲非常敏感，但便攜式產(chǎn)品為了延長(zhǎng)電池的使用壽命必須使用開關(guān)電源，以提供高效的電壓轉(zhuǎn)換。開關(guān)電源具有與時(shí)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(tǒng)的性能指標(biāo)。

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

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

圖4. 將MAX1703 升壓轉(zhuǎn)換器同步到一個(gè)擴(kuò)展頻譜，可以消除尖峰頻譜，是整體噪聲基底升高。

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

        “加抖”波形

        為確保時(shí)鐘信號(hào)能夠被系統(tǒng)所接受，時(shí)鐘抖動(dòng)范圍一般比較小(<10%)。這樣，“加抖”過(guò)程與窄帶FM 調(diào)制非常類似。

        相應(yīng)的調(diào)制理論給出了抖動(dòng)波形與頻譜結(jié)果之間的簡(jiǎn)單關(guān)系，即：時(shí)鐘頻率的“概率密度函數(shù)”與抖動(dòng)時(shí)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(gè)加抖周期可以準(zhǔn)確地進(jìn)入每個(gè)頻點(diǎn)兩次。由于每個(gè)頻點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比例相同，因此，概率密度函數(shù)在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)隨著頻率的變化而保持一個(gè)常數(shù)，得到均勻概率的分布(圖1)。

        這種抖動(dòng)波形的頻譜相同，頻譜能量均勻地分布在一個(gè)較窄的頻段，對(duì)于所允許的(Fmax - Fmin)頻率范圍來(lái)說(shuō)，這種頻譜分布是最佳的，因?yàn)樗诿總€(gè)頻點(diǎn)所得到的頻譜能量是最低的。

        這種頻譜也可以利用偽隨機(jī)頻率抖動(dòng)器獲得，這種方式通常是產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)序列的頻率，并以一定的間隔重復(fù)，每個(gè)頻點(diǎn)在一個(gè)周期只出現(xiàn)一次，所得到的概率密度分布也是均勻的，與三角抖動(dòng)器相同。這種方式通常用于其他領(lǐng)域。

        頻譜衰減

        考察一個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘電路的好壞，主要是看窄帶頻譜中每個(gè)頻點(diǎn)的能量相對(duì)于單音時(shí)鐘能量降低了多少。本節(jié)推導(dǎo)出了一個(gè)用于優(yōu)化均勻擴(kuò)展頻譜波形的關(guān)系式。

        以下觀點(diǎn)有助于理解擴(kuò)頻頻譜的能量：1、從單音到抖動(dòng)時(shí)鐘的轉(zhuǎn)換不會(huì)改變時(shí)鐘能量，只是加抖后單音時(shí)鐘的能量被分布在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)。2、周期性“加抖”時(shí)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(gè)抖動(dòng)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(duì)于非抖動(dòng)頻率的抖動(dòng)系數(shù)，V_u 是抖動(dòng)時(shí)鐘頻帶內(nèi)每個(gè)頻譜的RMS 電壓。由此可以得到窄帶頻段內(nèi)頻譜能量的衰減為：