隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號的時鐘頻率越來越高，電路系統(tǒng)對于信號的建立、保持時間、時鐘抖動等要素提出越來越高的要求。EMI，即電磁干擾，是指電路系統(tǒng)通過傳導(dǎo)或者輻射的方式，對于周邊電路系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。EMI會引起電路性能的降低，嚴重的話，可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。在實際操作中，相關(guān)機構(gòu)頒布電磁兼容的規(guī)范，確保上市的電子產(chǎn)品滿足規(guī)范要求。

時鐘信號常常是電路系統(tǒng)中頻率最高和邊沿最陡的信號，多數(shù)EMI問題的產(chǎn)生和時鐘信號有關(guān)。

降低EMI的方法有許多種，包括屏蔽、濾波、隔離、鐵氧體磁環(huán)、信號邊沿控制以及在PCB中增加電源和GND層等等。在應(yīng)用中可以靈活使用以上方法，其中屏蔽是相對簡單的機械學(xué)方法，成本較高，不適用于手持和便攜式設(shè)備；濾波和信號邊沿控制對于低頻信號有效，不適合當(dāng)前廣泛應(yīng)用的高速信號。另外，使用EMI/RFI濾波器這些被動元器件，會增加成本；通過LAYOUT技巧降低EMI顯然比較費時，而且因設(shè)計的不同，手段也不盡相同。

展頻時鐘（Spread Spectrum Clocking）是另一種有效降低EMI的方法，本文將簡要描述展頻時鐘發(fā)生器（Spread Spectrum Clock Generator,SSCG）是如何降低EMI的。

概述

時鐘展頻通過頻率調(diào)制的手段將集中在窄頻帶范圍內(nèi)的能量分散到設(shè)定的寬頻帶范圍，通過降低時鐘在基頻和奇次諧波頻率的幅度（能量），達到降低系統(tǒng)電磁輻射峰值的目的。

一般數(shù)字時鐘有很高的Q值，即所有能量都集中在很窄的頻率范圍內(nèi)，表現(xiàn)為相對較高的能量峰值。在頻譜圖上容易看到在中間頻率上有很高的峰值，在奇次諧波位置有較低的峰值；SSCG通過增加時鐘帶寬的方法降低峰值能量，減小時鐘的Q值。圖1示意SSCG的工作原理。

圖1.SSCG降低EMI示意圖

時鐘展頻通過特定方式調(diào)制原始時鐘信號。Linear和Hershey Kiss（不是好時之吻巧克力哦）是常用的調(diào)制方式。

應(yīng)用特點

SSCG是一種Active且低成本的解決EMI問題的方案，可以在保證時鐘信號完整性的基礎(chǔ)上應(yīng)對更廣頻率范圍內(nèi)EMI問題。相比傳統(tǒng)上使用Ferrite Beads和RF Chokes抑制EMI，SSCG通過時鐘內(nèi)部集成電路調(diào)制頻率的手段來達到抑制EMI峰值的目的。SSCG不僅調(diào)制時鐘源，其它的同步于時鐘源的數(shù)據(jù)、地址和控制信號，在時鐘展頻的同時也一并得以調(diào)制，整體的EMI峰值都會因此減小，所以說，時鐘展頻是系統(tǒng)級的解決方案。這是SSCG相比其它抑制EMI措施的最大優(yōu)勢。

SSCG功能可以由用戶選擇不同配置，ON或者OFF，以及不同的調(diào)制范圍等。

被動的EMI抑制器件通常也會集成ESD保護功能，是不耗電的。SSCG由于使用到展頻等集成電路功能，會消耗能量。

調(diào)制參數(shù)

時鐘展頻有三個主要的控制參數(shù)：調(diào)制速度（Modulation Rate）、調(diào)制深度（Modulation Depth）和調(diào)制方式（Modulation Profile）

1. 調(diào)制速度

調(diào)制速度（MR）是指輸出時鐘頻率 fo在設(shè)定的調(diào)制頻率范圍內(nèi)的變化速度。調(diào)制速度應(yīng)遠小于源時鐘的頻率 fc 以免引起時序問題（建立/保持時間等），同時應(yīng)當(dāng)高于人耳可識別的聲音的頻率范圍（20Hz~20KHz）以免產(chǎn)生噪音。在實際應(yīng)用中，調(diào)制速度一般選擇30KHz~120KHz。

2. 調(diào)制深度

調(diào)制深度是指展頻后輸出時鐘頻率 fo以調(diào)制速度MR偏移源時鐘頻率 fc的大小。調(diào)制深度以偏移（Δf）源時鐘頻率的百分比（%）來表示。調(diào)制深度決定降低EMI峰值的大小。通常調(diào)制深度越大，EMI峰值越低。在應(yīng)用時，需要合理預(yù)計系統(tǒng)可接受的頻率調(diào)制范圍。圖2表示在不同調(diào)制深度下，EMI峰值的對比。

圖2.調(diào)制深度對降低EMI程度的影響

在許多系統(tǒng)中，基頻的奇次諧波才是產(chǎn)生EMI問題的根源，SSCG不僅衰減基頻的EMI輻射，同時也抑制奇次諧波上的能量輻射，而且相比于基頻，SSCG對于奇次諧波的衰減作用更為顯著。這是因為奇次諧波的（展頻后）頻帶范圍相比基頻的頻帶更寬（整數(shù)倍）。如圖3表征這種影響。

圖3.EMI衰減 VS 奇次諧波

3. 調(diào)制方式

調(diào)制方式（Modulation Profile）決定EMI峰值的表現(xiàn)形式。Linear和Hershey Kiss是SSCG常用的兩種調(diào)制方式。

線性調(diào)制相對簡單，顧名思義，線性調(diào)制后輸出的時鐘頻率是線性變化的。這種調(diào)制方法的缺點，如圖4示，輸出頻譜旁瓣比中間頻率幅度高1-2dB，如前文討論，在任何頻率EMI的失效也就意味著整個EMI測試的失敗。旁瓣的輻射峰值可能超出SPEC范圍，設(shè)計者需要考慮到這點的影響。

圖4.線性調(diào)制方式 & 輸出頻譜

通過Hershey Kiss調(diào)制可以得到接近平整的頻譜圖，如圖5所示，Hershey Kiss調(diào)制的特點是在調(diào)制范圍的兩端，頻率變化速度更快，在調(diào)制范圍的中間值，頻率變化較慢。頻率在兩端變化的速度快，這樣信號在頻率兩端的能量得到更大的衰減，分散到中間位置。整體的表現(xiàn)就是整個頻譜的能量近似平坦。圖5中采用Hershey Kiss調(diào)制方式，EMI峰值更近一步衰減了1.13dB。

圖5.Hershey Kiss調(diào)制方式 & 輸出頻譜

圖6和圖7是兩種調(diào)制方式的頻譜圖。

圖6.線性調(diào)制

圖7.Hershey Kiss調(diào)制

展頻模式

按展頻時鐘相對源時鐘偏移的不同，展頻分為三類：

1. 中間展頻

中間展頻（Centre Spread）是指展頻時鐘的平均頻率和源時鐘頻率相同的展頻方式。在未調(diào)制輸出時鐘頻率等于輸入時鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時鐘頻率 fo 按調(diào)頻方式（Linear或Hershey Kiss）決定的波形以MR速度，在（fc-Δf）到（fc+Δf）范圍內(nèi)變化，即：

fo=fc ±Δf

例如，100MHz時鐘以±1%調(diào)制深度中間展頻后，輸出時鐘的變化范圍為99MHz~101MHz。

圖8和圖9表示這種展頻模式的特點，其中圖8表示輸出時鐘頻率 fo 隨時間變化的情況，圖9表示幅度（能量）在頻率范圍內(nèi)分布的情況。

圖8.中間展頻（MDA）

圖9.中間展頻（Spectrum Analyzer Plot）

2. 向下展頻

向下展頻（Down Spread）是指展頻時鐘的最高頻率等于源時鐘頻率的展頻方式。在未調(diào)制時鐘輸出頻率等于輸入時鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時鐘頻率 fo 按調(diào)頻方式（Linear或Hershey Kiss）決定的波形以MR速度，在（fc-Δf）到 fc 范圍內(nèi)變化，即：

fo=fc -Δf

例如，100MHz時鐘以-1%調(diào)制深度向下展頻后，輸出時鐘的變化范圍為99MHz~100MHz。

圖10和圖11表示這種展頻模式的特點，其中圖10表示輸出時鐘頻率 fo 隨時間變化的情況，圖11表示幅度（能量）在頻率范圍內(nèi)分布的情況。

圖10.向下展頻（MDA）

圖11.向下展頻（Spectrum Analyzer Plot）

3. 向上展頻

向上展頻（Up Spread）是指展頻時鐘的最低頻率等于源時鐘頻率的展頻方式。在未調(diào)制時鐘輸出頻率等于輸入時鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時鐘頻率 fo 按調(diào)頻方式（Linear或Hershey Kiss）決定的波形以MR速度，在 fc 到（fc+Δf）范圍內(nèi)變化，即：

fo=fc +Δf

例如，100MHz時鐘以+1%調(diào)制深度向上展頻后，輸出時鐘的變化范圍為100MHz~101MHz。

圖12和圖13表示這種展頻模式的特點，其中圖12表示輸出時鐘頻率（fo）隨時間變化的情況，圖13表示幅度（能量）在頻率范圍內(nèi)分布的情況。

圖12.向上展頻（MDA）

圖13.向上展頻（Spectrum Analyzer Plot）

注意事項

1. 時鐘抖動

時鐘展頻的一大弊端是不能用于對時鐘精度敏感的應(yīng)用，如以太網(wǎng)和CAN總線。在選擇時鐘展頻和調(diào)制深度時，設(shè)計人員需要特別注意展頻引入額外的Jitter，并可能由此引起的建立/保持時間問題、高誤碼率和PLL失鎖問題。Jitter分為不同類別，對系統(tǒng)性能有不同程度的影響。

周期抖動 Period Jitter /PJ

周期抖動是指輸出時鐘相對于理想時鐘的最大偏移值。周期抖動一般是測量一段時間內(nèi)（通常10,000個周期）所有的時鐘，取其中時鐘邊沿偏離的最大值（earliest and latest edge）。

周期抖動影響同步時鐘系統(tǒng)的時序裕量，輸出時鐘相對理想位置的偏移會對建立/保持時間造成影響。例如，100MHz時鐘在以1%調(diào)制深度向上展頻后，頻率的變化范圍是100MHz~101MHz，即時鐘周期的變化范圍是9.9ns~10ns。這樣的話，理想的展頻時鐘就有0.1ns（100ps）的周期抖動。增加調(diào)制深度（1%）或時鐘頻率（100MHz）其中任何一項，周期抖動都會線性增加，從而導(dǎo)致時序問題。另外，以上討論的周期抖動僅僅是由時鐘展頻引入的，還不包括設(shè)備（時鐘發(fā)生器）本身固有的Jitter，實際上展頻時鐘的Jitter應(yīng)該包括這兩部分。時鐘固有Jitter可以在關(guān)閉展頻后測量出來。

長時抖動 Long-Term Jitter /LTJ

長時抖動類似于周期抖動，是指在長時間內(nèi)（many cycles）輸出時鐘相對理想時鐘的最大偏移值。時鐘展頻在這方面表現(xiàn)更為明顯。經(jīng)過長時間的變化，其時鐘信號邊緣與理想位置偏移更大。關(guān)于長時抖動比較顯著的例子是顯卡驅(qū)動顯示器，經(jīng)過一段時間后，過多的長時抖動會引起像素值偏離設(shè)定值。

周期間抖動Cycle-to-Cycle Jitter /CTCJ

周期間抖動是指一個時鐘周期相對它之前時鐘周期的偏移量。在對輸入信號進行等間隔取樣的通信系統(tǒng)或ADC電路中，周期間抖動會造成非常不利的影響。采樣時鐘的周期間抖動會導(dǎo)致取樣點不準確，因而引起輸出數(shù)據(jù)錯誤。

時鐘展頻只引入非常小的周期間抖動。例如30KHz~120KHz調(diào)制速度的時鐘展頻，源時鐘的頻率至少是MR的1000倍，也就是說至少經(jīng)過1000個時鐘周期，才完成一個調(diào)制周期，輸出時鐘fc相鄰周期間的差別非常小。當(dāng)然，設(shè)備（時鐘發(fā)生器）本身也存在固有的周期間抖動。展頻大約只引入低于0.05%的周期間抖動進入到系統(tǒng)。因此展頻非常適用于需要低周期間抖動、低誤碼率和低EMI的系統(tǒng)。

2. 帶PLL的展頻

當(dāng)展頻的時鐘輸出到下游的PLL時，注意PLL表現(xiàn)為低通濾波器，即允許輸入的低頻部分通過，同時衰減其中的高頻部分。展頻時鐘輸入PLL時，PLL可能出現(xiàn)無法鎖住頻率的問題。務(wù)必確保PLL必須能檢測展頻時鐘的頻率變化并允許展頻時鐘通過。以上取決于PLL的帶寬，如果帶寬太低，PLL可能無法可靠地偵測輸入時鐘，造成偵測偏差，給系統(tǒng)引入更大的Jitter。