一百多年前人们就已经发现,一些有害物质对人体的损害,到了近代辐射成为闻之色变的放射性有害物质.众所周知,智能手机,电脑,部分家电都是带有辐射的,只是比较微弱,是因为晶振厂家安装了可以降低辐射的元件,扩频晶体振荡器是其中一种.辐射发射发生在具有不断变化的电信号辐射发射的任何电子设备中.如果PC主板的时钟以一定的频率运行,它将以主振荡器的频率为中心辐射射频能量.
在20世纪80年代和90年代,从微波炉到手机的电子设备激增.这些设备之间的交叉干扰成为一个问题.微波炉干扰了心脏起搏器,而有线调制解调器干扰了无绳电话.同样,计算机监视器辐射足够的射频能量,干扰其附近的大多数其他电子设备.美国联邦通信委员会和其他监管机构(如欧洲的电磁兼容性(EMC)机构)对所有电子产品中的这些排放做出了更严格的规定.在美国,FCC Part68规定了工业和商业电子设备.第68部分,A类涉及工业环境中使用的设备,而第68部分,B类涉及消费品.本文仅关注B类电子产品.
定义:
辐射敏感性是指一块电子设备对来自外部RF能源的接口的敏感性.辐射发射是由电脑或监视器等电气设备无意辐射的射频能量,这可能对另一部电气设备产生一些影响.EMC(电磁兼容性):电子设备成为“良好的电磁邻居”的能力:它既不会引起电磁干扰,也不会受到电磁干扰(在适用标准的限制范围内).请参阅:术语定义
EMI(电磁干扰):来自电磁辐射的无用噪声.
如果测量来自PC主板的辐射RF能量,则存在石英晶体振荡器中心频率的辐射尖峰(图1).消费品的FCC要求(FCC第68部分,B类)要求在任何给定频率下辐射发射必须低于规定的最大值.

图1.典型晶体振荡器发射与FCC最大值的比较.
具有讽刺意味的是,标准并没有减少辐射能量的总量,只能减少任何一个频率可能辐射的峰值能量.
减少辐射的传统老式方法涉及遏制.个人计算机使用其接地的钢制机柜作为屏蔽来拦截和消散主板辐射的能量.封闭式电子设备中使用的塑料柜通常涂有金属层并接地以达到相同的目的.随着电子产品的激增和变得越来越小,遏制技术变得越来越难以实现.电子设备的更高时钟速度包括更高的谐波频率,迫使设计人员使用诸如屏蔽,EMI滤波和仔细的电路布局等技术来减少辐射发射.随着消费电子产品的萎缩,这种方法变得昂贵且难度更大.需要一种新方法来减少这些峰值辐射.通过扩散或抖动系统时钟的频率,辐射发射可以在窄频谱上“模糊”,从而减少任何一个频率的峰值辐射发射.这简化了设计工程师的任务并降低了制造产品的成本.在过去几年中,使用扩频晶体振荡器来减少峰值辐射,从PC主板到打印机的各个环节都得到了普及.
扩频的历史
在第二次世界大战期间,美国海军遇到了无线电控制鱼雷的问题,这些鱼雷被调谐到与发射无线电相同频率的高强度射频信号“卡住”.这是辐射敏感性的一个例子.1942年8月11日,Hedy Keisler Markey和George Antheil被授予美国专利号2,292,387,用于解决这一问题的“秘密通信系统”.该设备使用一种机制在发射机上的频率之间快速切换(这种技术类似于现在称为跳频的技术).鱼雷中接收器上的类似装置在相同频率之间切换并捕获发射信号.控制鱼雷的信号从未保持在任何单独的频率,足以被单一频率的外部RF信号干扰.
利用扩频技术减少辐射排放
虽然术语扩频用于减少消费电子产品中辐射发射的技术,但应用与无线电话等设备中的应用不同.在无绳电话中,发射器和接收器的工作频率一致地扫过一个频带,减少了任何一个频率的外部辐射的影响.利用扩频技术在诸如PC之类的消费产品中的无意发射机中进行RF降低,涉及扫描在频带上驱动PC的时钟.因此,任何辐射发射都在该频带上扩展,并且在任何一个频率上仅辐射少量的总能量.这将该频率的峰值能量降低到FCC规定的水平以下.
上述方法使用施加到有源石英晶振的信号,该信号根据信号电平移动频率.在最简单的形式中,三角形信号被施加到振荡器电路,振荡器电路根据三角形幅度改变振荡器的频率(图2).实际上,所应用信号的形状可能与此三角形示例略有不同.

图2.振荡器抖动.

图3.时钟频谱抖动比较.
图3图1显示了抖动DS1086振荡器的辐射发射输出,与前面所示的晶体振荡器相比.图表显示DS1086具有0％抖动输出和4％抖动输出.该图表演示了振荡器频率的“扩展”如何将任何特定频率的峰值辐射发射降低到FCC规定的水平以下.选择抖动信号的频率使其远低于抖动的OSCillator的频率.因此,由振荡器驱动的电子设备不受快速频率变化的影响.它还被选择为高于可听频率范围,使得电路中的无功元件(例如电容器和电感器)不会产生可听噪声.上图显示了晶体振荡器的辐射能量谱,Econ Oscillator上的“0％”扩散和Econ Oscillator上的4％扩散.可获得2％的差价但未显示.由于Econ Oscillator架构固有的抖动特性,“0％”扩展实际上约为½％到1％的扩展.
DS1086
DS1086是一款Econ Oscillator,旨在激发振荡器输出中的抖动,减少从打印机到游戏机的系统辐射.该器件由可编程的66MHz至133MHz时钟频率发生器组成,可通过2线接口以10kHz的增量进行调谐.这与预分频器一起将主振荡器频率除以2X.(其中x=0到8),提供从260kHz到133MHz的广泛频率选择.输入引脚提供对门控时钟输出,打开和关闭抖动以及禁用主振荡器的控制.可选择三种抖动选项:“0％”,2％和4％.与其他制造商生产的低EMI振荡器不同,DS1086有源晶振不需要外部晶振或时钟参考,因此可以实现最小的占位面积,低EMI时钟(图4).它采用8引脚SO封装.

图4.DS1086 Spread Spectrum Econ Oscillator.
与其他EconOscillators一样,DS1086使用精确控制的数模转换器(DAC)和校准的压控振荡器(VCO)来产生其中心频率输出.通过将三角波电压信号加到VCO输入中,将频率抖动注入输出频率.三角波的幅度决定了输出时钟中的抖动百分比.根据应用,可以设置为0％,2％或4％.请注意,0％抖动选择具有约1％的抖动,这是所有EconOscillators架构所固有的.与晶体振荡器相比,即使是具有这种特性的标准EconOscillators,其辐射频谱也会降低10dBm,而无需任何额外的电路.
消费电子产品的FCC辐射发射合规标准使电路设计者的工程工作变得越来越困难.更快的时钟速度包括更高的谐波频率,迫使设计人员使用屏蔽,EMI滤波和仔细的电路板布局来减少辐射.通过将频率调制(FM)或“抖动”添加到系统时钟的中心频率,辐射发射可以在窄频谱上扩展,从而减少任何一个频率的峰值辐射发射,满足FCC要求.这简化了设计人员的工程任务,可以大幅降低成品的成本.在过去几年中,扩频时钟振荡器的使用已经普及.时钟的特性是频率相对精确的短期稳定性,通常在200ppm至300ppm的量级.长期频率稳定性扫描频率值,范围为石英振荡器中心频率的½％至4％.

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此文关键字：扩频晶体振荡器低EMI有源晶振抗辐射石英振荡器

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