一百多年前人們就已經(jīng)發(fā)現,一些有害物質(zhì)對人體的損害,到了近代輻射成為聞之色變的放射性有害物質(zhì).眾所周知,智能手機,電腦,部分家電都是帶有輻射的,只是比較微弱,是因為晶振廠(chǎng)家安裝了可以降低輻射的元件,擴頻晶體振蕩器是其中一種.輻射發(fā)射發(fā)生在具有不斷變化的電信號輻射發(fā)射的任何電子設備中.如果PC主板的時(shí)鐘以一定的頻率運行,它將以主振蕩器的頻率為中心輻射射頻能量.
在20世紀80年代和90年代,從微波爐到手機的電子設備激增.這些設備之間的交叉干擾成為一個(gè)問(wèn)題.微波爐干擾了心臟起搏器,而有線(xiàn)調制解調器干擾了無(wú)繩電話(huà).同樣,計算機監視器輻射足夠的射頻能量,干擾其附近的大多數其他電子設備.美國聯(lián)邦通信委員會(huì )和其他監管機構(如歐洲的電磁兼容性(EMC)機構)對所有電子產(chǎn)品中的這些排放做出了更嚴格的規定.在美國,FCC Part68規定了工業(yè)和商業(yè)電子設備.第68部分,A類(lèi)涉及工業(yè)環(huán)境中使用的設備,而第68部分,B類(lèi)涉及消費品.本文僅關(guān)注B類(lèi)電子產(chǎn)品.
定義:
輻射敏感性是指一塊電子設備對來(lái)自外部RF能源的接口的敏感性.輻射發(fā)射是由電腦或監視器等電氣設備無(wú)意輻射的射頻能量,這可能對另一部電氣設備產(chǎn)生一些影響.EMC(電磁兼容性):電子設備成為“良好的電磁鄰居”的能力:它既不會(huì )引起電磁干擾,也不會(huì )受到電磁干擾(在適用標準的限制范圍內).請參閱:術(shù)語(yǔ)定義
EMI(電磁干擾):來(lái)自電磁輻射的無(wú)用噪聲.
如果測量來(lái)自PC主板的輻射RF能量,則存在石英晶體振蕩器中心頻率的輻射尖峰(圖1).消費品的FCC要求(FCC第68部分,B類(lèi))要求在任何給定頻率下輻射發(fā)射必須低于規定的最大值.

圖1.典型晶體振蕩器發(fā)射與FCC最大值的比較.
具有諷刺意味的是,標準并沒(méi)有減少輻射能量的總量,只能減少任何一個(gè)頻率可能輻射的峰值能量.
減少輻射的傳統老式方法涉及遏制.個(gè)人計算機使用其接地的鋼制機柜作為屏蔽來(lái)攔截和消散主板輻射的能量.封閉式電子設備中使用的塑料柜通常涂有金屬層并接地以達到相同的目的.隨著(zhù)電子產(chǎn)品的激增和變得越來(lái)越小,遏制技術(shù)變得越來(lái)越難以實(shí)現.電子設備的更高時(shí)鐘速度包括更高的諧波頻率,迫使設計人員使用諸如屏蔽,EMI濾波和仔細的電路布局等技術(shù)來(lái)減少輻射發(fā)射.隨著(zhù)消費電子產(chǎn)品的萎縮,這種方法變得昂貴且難度更大.需要一種新方法來(lái)減少這些峰值輻射.通過(guò)擴散或抖動(dòng)系統時(shí)鐘的頻率,輻射發(fā)射可以在窄頻譜上“模糊”,從而減少任何一個(gè)頻率的峰值輻射發(fā)射.這簡(jiǎn)化了設計工程師的任務(wù)并降低了制造產(chǎn)品的成本.在過(guò)去幾年中,使用擴頻晶體振蕩器來(lái)減少峰值輻射,從PC主板到打印機的各個(gè)環(huán)節都得到了普及.
擴頻的歷史
在第二次世界大戰期間,美國海軍遇到了無(wú)線(xiàn)電控制魚(yú)雷的問(wèn)題,這些魚(yú)雷被調諧到與發(fā)射無(wú)線(xiàn)電相同頻率的高強度射頻信號“卡住”.這是輻射敏感性的一個(gè)例子.1942年8月11日,Hedy Keisler Markey和George Antheil被授予美國專(zhuān)利號2,292,387,用于解決這一問(wèn)題的“秘密通信系統”.該設備使用一種機制在發(fā)射機上的頻率之間快速切換(這種技術(shù)類(lèi)似于現在稱(chēng)為跳頻的技術(shù)).魚(yú)雷中接收器上的類(lèi)似裝置在相同頻率之間切換并捕獲發(fā)射信號.控制魚(yú)雷的信號從未保持在任何單獨的頻率,足以被單一頻率的外部RF信號干擾.
利用擴頻技術(shù)減少輻射排放
雖然術(shù)語(yǔ)擴頻用于減少消費電子產(chǎn)品中輻射發(fā)射的技術(shù),但應用與無(wú)線(xiàn)電話(huà)等設備中的應用不同.在無(wú)繩電話(huà)中,發(fā)射器和接收器的工作頻率一致地掃過(guò)一個(gè)頻帶,減少了任何一個(gè)頻率的外部輻射的影響.利用擴頻技術(shù)在諸如PC之類(lèi)的消費產(chǎn)品中的無(wú)意發(fā)射機中進(jìn)行RF降低,涉及掃描在頻帶上驅動(dòng)PC的時(shí)鐘.因此,任何輻射發(fā)射都在該頻帶上擴展,并且在任何一個(gè)頻率上僅輻射少量的總能量.這將該頻率的峰值能量降低到FCC規定的水平以下.
上述方法使用施加到有源石英晶振的信號,該信號根據信號電平移動(dòng)頻率.在最簡(jiǎn)單的形式中,三角形信號被施加到振蕩器電路,振蕩器電路根據三角形幅度改變振蕩器的頻率(圖2).實(shí)際上,所應用信號的形狀可能與此三角形示例略有不同.

圖2.振蕩器抖動(dòng).

圖3.時(shí)鐘頻譜抖動(dòng)比較.
圖3圖1顯示了抖動(dòng)DS1086振蕩器的輻射發(fā)射輸出,與前面所示的晶體振蕩器相比.圖表顯示DS1086具有0％抖動(dòng)輸出和4％抖動(dòng)輸出.該圖表演示了振蕩器頻率的“擴展”如何將任何特定頻率的峰值輻射發(fā)射降低到FCC規定的水平以下.選擇抖動(dòng)信號的頻率使其遠低于抖動(dòng)的OSCillator的頻率.因此,由振蕩器驅動(dòng)的電子設備不受快速頻率變化的影響.它還被選擇為高于可聽(tīng)頻率范圍,使得電路中的無(wú)功元件(例如電容器和電感器)不會(huì )產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲.上圖顯示了晶體振蕩器的輻射能量譜,Econ Oscillator上的“0％”擴散和Econ Oscillator上的4％擴散.可獲得2％的差價(jià)但未顯示.由于Econ Oscillator架構固有的抖動(dòng)特性,“0％”擴展實(shí)際上約為½％到1％的擴展.
DS1086
DS1086是一款Econ Oscillator,旨在激發(fā)振蕩器輸出中的抖動(dòng),減少從打印機到游戲機的系統輻射.該器件由可編程的66MHz至133MHz時(shí)鐘頻率發(fā)生器組成,可通過(guò)2線(xiàn)接口以10kHz的增量進(jìn)行調諧.這與預分頻器一起將主振蕩器頻率除以2X.(其中x=0到8),提供從260kHz到133MHz的廣泛頻率選擇.輸入引腳提供對門(mén)控時(shí)鐘輸出,打開(kāi)和關(guān)閉抖動(dòng)以及禁用主振蕩器的控制.可選擇三種抖動(dòng)選項:“0％”,2％和4％.與其他制造商生產(chǎn)的低EMI振蕩器不同,DS1086有源晶振不需要外部晶振或時(shí)鐘參考,因此可以實(shí)現最小的占位面積,低EMI時(shí)鐘(圖4).它采用8引腳SO封裝.

圖4.DS1086 Spread Spectrum Econ Oscillator.
與其他EconOscillators一樣,DS1086使用精確控制的數模轉換器(DAC)和校準的壓控振蕩器(VCO)來(lái)產(chǎn)生其中心頻率輸出.通過(guò)將三角波電壓信號加到VCO輸入中,將頻率抖動(dòng)注入輸出頻率.三角波的幅度決定了輸出時(shí)鐘中的抖動(dòng)百分比.根據應用,可以設置為0％,2％或4％.請注意,0％抖動(dòng)選擇具有約1％的抖動(dòng),這是所有EconOscillators架構所固有的.與晶體振蕩器相比,即使是具有這種特性的標準EconOscillators,其輻射頻譜也會(huì )降低10dBm,而無(wú)需任何額外的電路.
消費電子產(chǎn)品的FCC輻射發(fā)射合規標準使電路設計者的工程工作變得越來(lái)越困難.更快的時(shí)鐘速度包括更高的諧波頻率,迫使設計人員使用屏蔽,EMI濾波和仔細的電路板布局來(lái)減少輻射.通過(guò)將頻率調制(FM)或“抖動(dòng)”添加到系統時(shí)鐘的中心頻率,輻射發(fā)射可以在窄頻譜上擴展,從而減少任何一個(gè)頻率的峰值輻射發(fā)射,滿(mǎn)足FCC要求.這簡(jiǎn)化了設計人員的工程任務(wù),可以大幅降低成品的成本.在過(guò)去幾年中,擴頻時(shí)鐘振蕩器的使用已經(jīng)普及.時(shí)鐘的特性是頻率相對精確的短期穩定性,通常在200ppm至300ppm的量級.長(cháng)期頻率穩定性?huà)呙桀l率值,范圍為石英振蕩器中心頻率的½％至4％.

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此文關(guān)鍵字：擴頻晶體振蕩器低EMI有源晶振抗輻射石英振蕩器

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