一百多年前人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn),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(shè)備中.如果PC主板的時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(jì)80年代和90年代,從微波爐到手機的電子設(shè)備激增.這些設(shè)備之間的交叉干擾成為一個問題.微波爐干擾了心臟起搏器,而有線調(diào)制解調(diào)器干擾了無繩電話.同樣,計算機監(jiān)視器輻射足夠的射頻能量,干擾其附近的大多數(shù)其他電子設(shè)備.美國聯(lián)邦通信委員會和其他監(jiān)管機構(gòu)(如歐洲的電磁兼容性(EMC)機構(gòu))對所有電子產(chǎn)品中的這些排放做出了更嚴(yán)格的規(guī)定.在美國,FCC Part68規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)電子設(shè)備.第68部分,A類涉及工業(yè)環(huán)境中使用的設(shè)備,而第68部分,B類涉及消費品.本文僅關(guān)注B類電子產(chǎn)品.
定義:
輻射敏感性是指一塊電子設(shè)備對來自外部RF能源的接口的敏感性.輻射發(fā)射是由電腦或監(jiān)視器等電氣設(shè)備無意輻射的射頻能量,這可能對另一部電氣設(shè)備產(chǎn)生一些影響.EMC(電磁兼容性):電子設(shè)備成為“良好的電磁鄰居”的能力:它既不會引起電磁干擾,也不會受到電磁干擾(在適用標(biāo)準(zhǔn)的限制范圍內(nèi)).請參閱:術(shù)語定義
EMI(電磁干擾):來自電磁輻射的無用噪聲.
如果測量來自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)要求在任何給定頻率下輻射發(fā)射必須低于規(guī)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(biāo)準(zhǔn)并沒有減少輻射能量的總量,只能減少任何一個頻率可能輻射的峰值能量.
減少輻射的傳統(tǒng)老式方法涉及遏制.個人計算機使用其接地的鋼制機柜作為屏蔽來攔截和消散主板輻射的能量.封閉式電子設(shè)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.隨著電子產(chǎn)品的激增和變得越來越小,遏制技術(shù)變得越來越難以實現(xiàn).電子設(shè)備的更高時鐘速度包括更高的諧波頻率,迫使設(shè)計人員使用諸如屏蔽,EMI濾波和仔細(xì)的電路布局等技術(shù)來減少輻射發(fā)射.隨著消費電子產(chǎn)品的萎縮,這種方法變得昂貴且難度更大.需要一種新方法來減少這些峰值輻射.通過擴散或抖動系統(tǒng)時鐘的頻率,輻射發(fā)射可以在窄頻譜上“模糊”,從而減少任何一個頻率的峰值輻射發(fā)射.這簡化了設(shè)計工程師的任務(wù)并降低了制造產(chǎn)品的成本.在過去幾年中,使用擴頻晶體振蕩器來減少峰值輻射,從PC主板到打印機的各個環(huán)節(jié)都得到了普及.
擴頻的歷史
在第二次世界大戰(zhàn)期間,美國海軍遇到了無線電控制魚雷的問題,這些魚雷被調(diào)諧到與發(fā)射無線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例子.1942年8月11日,Hedy Keisler Markey和George Antheil被授予美國專利號2,292,387,用于解決這一問題的“秘密通信系統(tǒng)”.該設(shè)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)類似于現(xiàn)在稱為跳頻的技術(shù)).魚雷中接收器上的類似裝置在相同頻率之間切換并捕獲發(fā)射信號.控制魚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(yīng)用與無線電話等設(shè)備中的應(yīng)用不同.在無繩電話中,發(fā)射器和接收器的工作頻率一致地掃過一個頻帶,減少了任何一個頻率的外部輻射的影響.利用擴頻技術(shù)在諸如PC之類的消費產(chǎn)品中的無意發(fā)射機中進行RF降低,涉及掃描在頻帶上驅(qū)動PC的時鐘.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(guī)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(jù)信號電平移動頻率.在最簡單的形式中,三角形信號被施加到振蕩器電路,振蕩器電路根據(jù)三角形幅度改變振蕩器的頻率(圖2).實際上,所應(yīng)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.

圖3.時鐘頻譜抖動比較.
圖3圖1顯示了抖動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％抖動輸出和4％抖動輸出.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(guī)定的水平以下.選擇抖動信號的頻率使其遠低于抖動的OSCillator的頻率.因此,由振蕩器驅(qū)動的電子設(shè)備不受快速頻率變化的影響.它還被選擇為高于可聽頻率范圍,使得電路中的無功元件(例如電容器和電感器)不會產(chǎn)生可聽噪聲.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％的差價但未顯示.由于Econ Oscillator架構(gòu)固有的抖動特性,“0％”擴展實際上約為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,減少從打印機到游戲機的系統(tǒng)輻射.該器件由可編程的66MHz至133MHz時鐘頻率發(fā)生器組成,可通過2線接口以10kHz的增量進行調(diào)諧.這與預(yù)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.輸入引腳提供對門控時鐘輸出,打開和關(guān)閉抖動以及禁用主振蕩器的控制.可選擇三種抖動選項:“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鐘參考,因此可以實現(xiàn)最小的占位面積,低EMI時鐘(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(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和校準(zhǔn)的壓控振蕩器(VCO)來產(chǎn)生其中心頻率輸出.通過將三角波電壓信號加到VCO輸入中,將頻率抖動注入輸出頻率.三角波的幅度決定了輸出時鐘中的抖動百分比.根據(jù)應(yīng)用,可以設(shè)置為0％,2％或4％.請注意,0％抖動選擇具有約1％的抖動,這是所有EconOscillators架構(gòu)所固有的.與晶體振蕩器相比,即使是具有這種特性的標(biāo)準(zhǔn)EconOscillators,其輻射頻譜也會降低10dBm,而無需任何額外的電路.
消費電子產(chǎn)品的FCC輻射發(fā)射合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)使電路設(shè)計者的工程工作變得越來越困難.更快的時鐘速度包括更高的諧波頻率,迫使設(shè)計人員使用屏蔽,EMI濾波和仔細(xì)的電路板布局來減少輻射.通過將頻率調(diào)制(FM)或“抖動”添加到系統(tǒng)時鐘的中心頻率,輻射發(fā)射可以在窄頻譜上擴展,從而減少任何一個頻率的峰值輻射發(fā)射,滿足FCC要求.這簡化了設(shè)計人員的工程任務(wù),可以大幅降低成品的成本.在過去幾年中,擴頻時鐘振蕩器的使用已經(jīng)普及.時鐘的特性是頻率相對精確的短期穩(wěn)定性,通常在200ppm至300ppm的量級.長期頻率穩(wěn)定性掃描頻率值,范圍為石英振蕩器中心頻率的½％至4％.

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