频率元件光是石英晶振就可以分为好大分类,大类则主要为无源晶振和有源晶振,所谓有源晶振既是带有电压功能的石英晶体振荡器,按照其功能还可进行分类,该篇文章主要的目的是介绍关于电磁干扰时钟振荡器及时钟振荡器可以显著降低电磁干扰发射

电磁干扰简介
  设计工程师寻求最小化组件,电路和系统之间的有害干扰.这种干扰包括辐射和传导射频发射.为了满足法律规定的国内和国际监管要求以及政府法规,需要满足干扰要求.
  电磁干扰被定义为当一个设备的电磁场通过辐射和/或传导路径干扰,阻碍或降低另一个设备的电磁场时自然发生的现象.电磁干扰会导致两个或多个电子设备相互干扰,并影响它们的性能和操作.
  联邦通信委员会
  电磁干扰受到美国联邦通信委员会(FCC)和其他国际监管机构的严格监管,这些机构的目标是限制电子设备发射的电磁干扰量,防止对人体的伤害和电子设备之间的干扰.联邦通信委员会的甲级法规适用于工业应用,乙级法规适用于住宅或消费者应用.
  电磁干扰是对频率源辐射能量的测量,通常在给定频率下以dBmV/m(分贝-伏特每米)为单位进行测量.辐射能量越大,该参数越大.因此,晶振频率源发射的能量越多,产生的电场和电磁干扰就越大.定义电磁干扰测量的频谱时,需要区分峰值电磁辐射和平均电磁辐射.平均发射被定义为给定频谱上的平均dBmV/m水平.峰值发射定义为给定频谱内任何频率下的最大dBmV/m水平.
  如今,联邦通信委员会的法规主要关注给定频率下的贴片晶振峰值发射,而不是给定频谱上的平均发射.因此,电路设计人员应将其电磁干扰设计工作集中于降低频谱内给定频率的峰值发射,而不是频谱内的总平均发射.图1显示了在峰值发射要求(十米处)下,功率(分贝/米)对频率(兆赫)的催化裂化二级曲线图.

图1 :催化裂化乙类峰值排放

电磁干扰和时钟振荡器
  传统的非调制振荡器以预期的输出频率产生输出信号.除了基频发射的能量之外,在其谐波频率上还有大量辐射电磁发射.这些类型的石英晶体振荡器还产生频率略低于和高于预期输出的电信号,并在频谱上辐射电磁波.频谱范围取决于振荡器的机械和电气设计,电源调节,输出端接和印刷电路板布局.
  高速频率源,如时钟振荡器,锁相环(锁相环)合成器和其他类型的时钟信号发生装置,是电子电路中电磁干扰的主要来源.因此,减少电磁干扰是利用这些时钟发生器件的设计者主要关心的问题.
  减少电磁干扰的传统印刷电路板设计和制造方法包括多个接地层和电源层,分立元件滤波(抑制)和外壳屏蔽(密封).虽然这些减少电磁干扰的方法是有效的,但它们会对整体产品成本产生重大影响.这些电磁干扰降低技术和传统非调制振荡器的使用的一个替代方案是在时钟分配系统中包括扩频时钟振荡器.使用这种振荡器可以显著改善电磁干扰并降低整体系统成本.
  扩频时钟振荡器具有有意调制的输出频率,以便降低输出信号的电磁干扰.扩频时钟振荡器最适用于需要减少电磁干扰发射以通过联邦通信委员会电磁干扰法规的应用.
  扩频振荡器降低时钟源的电磁干扰,而不是时钟分配网络中的下游.通过降低时钟源处的电磁干扰,不需要附加的屏蔽外壳和/或过滤部件,降低了组装成本并提高了系统电磁干扰性能.
  通过调制输出信号,输出信号上的电磁干扰扩散到更大的频谱上.总能量仍然存在,但是输出功率在频带上的扩展导致任何一个频率上的电磁干扰减少.像联邦通信委员会这样的监管机构对电磁干扰峰值发射(即在频谱内的任何一个频率上的发射)有最大限制.因此,时钟振荡器可以通过降低电磁干扰峰值发射来通过联邦通信委员会的电磁干扰测试要求.
  电磁干扰降低
  为了理解时钟振荡器的重要性,需要彻底了解频率调制.图2显示了调制和非调制中心扩频时钟振荡器的输出幅度(功率)与频率的关系图.该图说明了给定调制和非调制扩频时钟振荡器的频率跨度和幅度之间的重要性.通过在频谱(跨度)上调制输出频率,可以实现输出幅度的减小.输出幅度的降低与辐射能量或电磁干扰的降低相关.

图2:电磁干扰降低图

影响扩频时钟振荡器峰值电磁干扰降低量的主要因素是输出频率调制宽度.图3显示了非线性调制扩频时钟振荡器输出的输出频率对时间的曲线图.输出频率有最小频率,中心频率和最大频率.输出频率线性扫过一系列频率,而不是保持在一个恒定频率.这个范围参数通常称为输出调制宽度,输出频谱或频率扩展百分比.

图3:输出调频宽度

最小输出频率和最大输出频率通常以相对于中心频率的百分比(%)表示.ECLIPTEK晶振提供许多输出调制宽度选项.调制频率扩展百分比越宽,能量分布的频率带宽越大,因此电磁干扰峰值降低越多.
如图3所示,输出调制频率(Fm)通常称为扫描速率,定义为调制周期的倒数.调制频率可在系列数据表中找到.
  中心和下扩展调制
  时钟振荡器提供两种标准输出频率调制选项:中心扩展和下扩展.图4显示了这两个选项的示例.

图4:居中和向下扩展选项

瞬时输出中心频率是最小频率和最大频率之间的近似中点.因此,瞬时输出频率将始终在FMIN和FMAX之间变化.瞬时最小输出频率和最大输出频率以相对于中心频率的百分比(%)表示.在图4中,中心分布图提供了一个中心分布百分比为1.0%的设备示例.在本例中,如果频率为100兆赫,频率为100兆赫,频率为99兆赫,频率为100MHZ OSC晶振,频率为101兆赫.
  当系统不能容忍高于标称频率的工作频率时,应考虑向下扩展选项.在图4中,向下扩展图提供了一个向下扩展百分比为-2.0%的设备示例.对于本例,如果客户担心过时钟,并且最大工作频率要求为100MHz,则FMIN和FMAX的典型频率分别为98MHz和100MHz.下扩展调制的缺点是,平均输出频率将低于标称输出频率,从而在平均输出频率,最大过时钟和最大频率调制幅度之间形成平衡.
   时钟振荡器可以显著降低电磁干扰发射.振荡器输出频率和频率扩展百分比是决定系统电磁干扰减少量的因素.电磁干扰降低的估计可以用下面的公式进行.
  其中:S=峰峰值扩展百分比FO=标称输出频率(单位为兆赫)RBW=测量分辨率带宽(单位为兆赫)电磁干扰减少量(分贝)=10log[秒*Fo/RBW]