一百多年前人們就已經發現,一些有害物質對人體的損害,到了近代輻射成為聞之色變的放射性有害物質.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.輻射發射發生在具有不斷變化的電信號輻射發射的任何電子設備中.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問題.微波爐干擾了心臟起搏器,而有線調制解調器干擾了無繩電話.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.美國聯邦通信委員會和其他監管機構(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規定了工業和商業電子設備.第68部分,A類涉及工業環境中使用的設備,而第68部分,B類涉及消費品.本文僅關注B類電子產品.
定義:
輻射敏感性是指一塊電子設備對來自外部RF能源的接口的敏感性.輻射發射是由電腦或監視器等電氣設備無意輻射的射頻能量,這可能對另一部電氣設備產生一些影響.EMC(電磁兼容性):電子設備成為“良好的電磁鄰居”的能力:它既不會引起電磁干擾,也不會受到電磁干擾(在適用標準的限制范圍內).請參閱:術語定義
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射必須低于規定的最大值.

圖1.典型晶體振蕩器發射與FCC最大值的比較.
具有諷刺意味的是,標準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.隨著電子產品的激增和變得越來越小,遏制技術變得越來越難以實現.電子設備的更高時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來減少輻射發射.隨著消費電子產品的萎縮,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時鐘的頻率,輻射發射可以在窄頻譜上“模糊”,從而減少任何一個頻率的峰值輻射發射.這簡化了設計工程師的任務并降低了制造產品的成本.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,美國海軍遇到了無線電控制魚雷的問題,這些魚雷被調諧到與發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”.該設備使用一種機制在發射機上的頻率之間快速切換(這種技術類似于現在稱為跳頻的技術).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.
利用擴頻技術減少輻射排放
雖然術語擴頻用于減少消費電子產品中輻射發射的技術,但應用與無線電話等設備中的應用不同.在無繩電話中,發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.利用擴頻技術在諸如PC之類的消費產品中的無意發射機中進行RF降低,涉及掃描在頻帶上驅動PC的時鐘.因此,任何輻射發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,振蕩器電路根據三角形幅度改變振蕩器的頻率(圖2).實際上,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.

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射降低到FCC規定的水平以下.選擇抖動信號的頻率使其遠低于抖動的OSCillator的頻率.因此,由振蕩器驅動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,旨在激發振蕩器輸出中的抖動,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時鐘頻率發生器組成,可通過2線接口以10kHz的增量進行調諧.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.輸入引腳提供對門控時鐘輸出,打開和關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使用精確控制的數模轉換器(DAC)和校準的壓控振蕩器(VCO)來產生其中心頻率輸出.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.根據應用,可以設置為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,其輻射頻譜也會降低10dBm,而無需任何額外的電路.
消費電子產品的FCC輻射發射合規標準使電路設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,迫使設計人員使用屏蔽,EMI濾波和仔細的電路板布局來減少輻射.通過將頻率調制(FM)或“抖動”添加到系統時鐘的中心頻率,輻射發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射,滿足FCC要求.這簡化了設計人員的工程任務,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普及.時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.長期頻率穩定性掃描頻率值,范圍為石英振蕩器中心頻率的½％至4％.

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