硅扩频振荡器在汽车电子产品中的应用（中）

图2. 晶体振荡器频谱与DS1086 频谱对照，频谱扩展4%时相差25dB。

        利用扩频振荡器作为微处理器的时钟源时，须确认微处理器能够接受时钟占控比、上升/下降时间以及其他由于时钟源频率变化所造成的参数容差。当振荡器作为系统的参考时钟使用时(实时时钟或实时监测等)，频率变化可能导致较大误差[2]。

        许多便携式消费类产品带有射频功能，如蜂窝电话，扩频技术对于这类产品中的开关电源非常有利。射频电路(特别是VCO)对于电源噪声非常敏感，但便携式产品为了延长电池的使用寿命必须使用开关电源，以提供高效的电压转换。开关电源具有与时钟振荡器相同的噪声频谱，而且，噪声可以直接耦合到射频电路，影响系统的性能指标。

        带有外同步功能的升压转换器(如MAX1703)可以用一个扩频时钟控制它的振荡频率，该方案与自激振荡升压转换器的噪声频谱(图3)相比能够改善系统性能(图4)。自激振荡升压转换器谐波在整个10MHz 范围内都具有较大的能量，而扩频方案则将谐波分量的幅度降低到噪声基底以内(图4)。值得注意的是，由于总噪声能量是固定的，扩频后使噪声基底有所上升。

图3. MAX1703 升压转换器频谱显示：基波位于300kHz (自激振荡开关频率)，在高达10MHz 的整个频段内有明显的谐波。

图4. 将MAX1703 升压转换器同步到一个扩展频谱，可以消除尖峰频谱，是整体噪声基底升高。

        为时钟源加入抖动之前，需要考虑以下几个问题：需要采用何种“加抖”波形？所允许的最大时钟偏移是多少？需要多大的抖动速率？限制抖动速率的因素是什么？以下就这些问题展开讨论。

        “加抖”波形

        为确保时钟信号能够被系统所接受，时钟抖动范围一般比较小(<10%)。这样，“加抖”过程与窄带FM 调制非常类似。

        相应的调制理论给出了抖动波形与频谱结果之间的简单关系，即：时钟频率的“概率密度函数”与抖动时钟输出的频谱具有相同的形状，锯齿波是一种常见的“加抖”波形，每个加抖周期可以准确地进入每个频点两次。由于每个频点出现的时间比例相同，因此，概率密度函数在整个频率调节范围内随着频率的变化而保持一个常数，得到均匀概率的分布(图1)。

        这种抖动波形的频谱相同，频谱能量均匀地分布在一个较窄的频段，对于所允许的(Fmax - Fmin)频率范围来说，这种频谱分布是最佳的，因为它在每个频点所得到的频谱能量是最低的。

        这种频谱也可以利用伪随机频率抖动器获得，这种方式通常是产生一个长序列的频率，并以一定的间隔重复，每个频点在一个周期只出现一次，所得到的概率密度分布也是均匀的，与三角抖动器相同。这种方式通常用于其他领域。

        频谱衰减

        考察一个抖动时钟电路的好坏，主要是看窄带频谱中每个频点的能量相对于单音时钟能量降低了多少。本节推导出了一个用于优化均匀扩展频谱波形的关系式。

        以下观点有助于理解扩频频谱的能量：1、从单音到抖动时钟的转换不会改变时钟能量，只是加抖后单音时钟的能量被分布在一个较宽的频带内。2、周期性“加抖”时钟的频谱由以“加抖”频率(F_d)为间隔的谐波组成。

        下式将单音功率均分到整个抖动谐波频段：

        V_RMS (dB) = 20log[sqrt({(F₀ * a)/F_d}*V_u²)]= 10log[{(F₀ *a)/F_d }]+ 20log[V_u²],

        式中：F₀是加抖之前的频率，a 是相对于非抖动频率的抖动系数，V_u 是抖动时钟频带内每个频谱的RMS 电压。由此可以得到窄带频段内频谱能量的衰减为：