1  简介

随着当今电子系统中处理器速度和数据速率的不断提高，电磁干扰 (EMI) 已成为设计人员面临的主要挑战。 一台设备中产生的 EMI 会妨碍附近其他电子设备的运行。

时钟通常是系统中 EMI 的最大贡献者。 方波时钟的频谱由基音和高次谐波的集合组成。 过滤、屏蔽和良好的 PCB 布局实践可以限制系统中的 EMI，但它们会增加成本并占用宝贵的电路板空间。 另一种方法是减少时钟产生的噪声。 通过随时间缓慢调制时钟频率，基频和谐波频率中的峰值频谱能量都会降低。 这种降低很有用，因为政府监管机构（例如 FCC 或 CE）使用特定带宽（通常为 100 kHz）内的峰值功率来量化辐射 EMI。

2  扩频优势

扩频时钟的输出（例如 SiT9002、SiT9003、SiT9005 和 SiT9025 振荡器系列中的时钟）通过使用 32 kHz 周期性波形（例如三角波或 Hershey-Kiss 曲线）调制其 PLL 来调节。 图 1 显示了使用三角波作为调制波形的扩频时钟框图。

图 1：使用三角波调制 PLL 

传播配置文件包含许多用户可选择的参数，具体取决于设备系列，请参考：

表 1. SiTime 扩频振荡器的参数

 

如果标称时钟频率为 100 MHz，则选择 ±1% 的中心扩展会将输出频率限制为 99 MHz 至 101 MHz。 同样，选择 -2% 的向下扩展将导致输出频率范围为 98 MHz 至 100 MHz。

选择三角形轮廓作为调制信号，因为它在频域中具有相当平坦的功率密度。 图 2 显示了非扩频时钟和扩频时钟的频谱图。 通过有意地将存储在非扩展时钟中的能量扩展到小范围的频率，实现了频谱幅度的减小。

 

图 2：非扩频时钟和扩频时钟由具有 100 kHz 分辨率带宽的频谱分析仪测量 

为了更好地了解扩频时钟的降噪优势，我们使用频谱分析仪来测量启用和不启用扩频功能的 125 MHz SiT9002 振荡器的峰值功率。 在此测试中，选择了 -2% 的羽绒差价。 图 3 显示了频谱分析仪的输出。 打开扩频功能后，扩频平均电平的 EMI 降低为 13 dB（标记 3 到标记 1），而峰峰值降低为 11 dB（标记 3 到标记 2）。

 

图 3：扩频时钟的降噪优势 

3  估计扩频时钟中的 EMI 降低 

通常需要在不求助于实验室测量的情况下估计 EMI 降低。 以下等式可用于计算估计值：

 

其中 S 是峰峰值扩展百分比，fc 是载波频率，RBW 是频谱分析仪的分辨率带宽。 对于时钟测量，RBW 通常设置为 100 kHz。

实验室测量可以验证根据公式 1 估计的 EMI 降低。SiT9002 以 125 MHz 和 2% 的下行扩展运行，计算得出的 EMI 降低为：

 

估计值接近测量的峰均值 13 dB。 但是，由于扩频中的纹波，它比 11 dB 的峰峰值高 3 dB。 在使用公式 2 估计峰峰值 EMI 降低时应考虑到这一点。

为了更好地分析上述等式的准确性，测量了 SiT9002 在三个不同向下扩展百分比下的 EMI 降低，并将其与计算值进行比较。 结果如图 4 所示。虚线表示估计值，而实线表示使用罗德与施瓦茨频谱分析仪测得的峰均值。 显示的曲线图说明估计值通常在测量值的 ±1 dB 范围内。

 

图 4：计算得出的 EMI 降低与测量值 

4  扩频对时钟谐波的影响 

合规性包括时钟的基频和谐波频率。

第 2 节和第 3 节描述了扩频对基频的影响。 扩频对降低基频 EMI 的影响也适用于谐波。

等式 1 表明 EMI 降低量与频率成正比。 为了验证这一点，测量了 100 MHz SiT9002 的频谱，在其基频 (100 MHz)、三次谐波 (300 MHz) 和五次谐波 (500 MHz) 处有和没有 2% 的下扩频。 结果如图 5 和图 6 所示。

 

图 5：100 MHz SiT9002 在 100 MHz 和 300 MHz 的频谱图 

 

图 6：100 MHz SiT9002 在 100 MHz 和 500 MHz 的频谱图 

基频 (100 MHz) 扩频的 EMI 降低为 12.09 dB。 它在三次谐波 (300 MHz) 处增加到 16.38 dB，在五次谐波 (500 MHz) 处增加到 17.06 dB。 换句话说，扩频降低了时钟输出中所有频率分量的 EMI。

4.1  三角形和 Hershey-Kiss 轮廓 

三角形和 Hershey-Kiss 轮廓之间的差异在所得功率谱的耳垂峰化中很明显。 如图所示。

图 7 中，三角形轮廓在拐点周围有明显的尖峰，导致耳垂尖峰。 在 Hershey-Kiss 曲线中消除了这种频谱峰值。

图7：37MHz SiT9005 的三角形和Hershey-Kiss剖面图，显示了三角形剖面的频谱耳垂峰值 

有效的频谱功率降低取决于扩展而不是所使用的配置文件类型。 公式 1 中列出的公式可用于任一配置文件以估计 EMI 降低。 选择使用哪个配置文件取决于各个系统的 EMI 合规情况。 如果在三角形轮廓相关的尖峰耳朵减少裕量的频率下出现 EMI 合规性失败，Hershey-Kiss 轮廓可能会有所帮助。

5  结论

SiTime 振荡器中的扩频特性在其输出端提供了出色的 EMI 降低，使这些设备成为噪声敏感应用的理想选择，并且是昂贵的 PCB 板更换或 EMI 抑制材料的首选替代品。