隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)的時(shí)鐘頻率越來(lái)越高，電路系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)的建立、保持時(shí)間、時(shí)鐘抖動(dòng)等要素提出越來(lái)越高的要求。EMI，即電磁干擾，是指電路系統(tǒng)通過(guò)傳導(dǎo)或者輻射的方式，對(duì)于周邊電路系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。EMI會(huì)引起電路性能的降低，嚴(yán)重的話，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。在實(shí)際操作中，相關(guān)機(jī)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(shí)鐘信號(hào)常常是電路系統(tǒng)中頻率最高和邊沿最陡的信號(hào)，多數(shù)EMI問(wèn)題的產(chǎn)生和時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)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(hào)邊沿控制對(duì)于低頻信號(hào)有效，不適合當(dāng)前廣泛應(yīng)用的高速信號(hào)。另外，使用EMI/RFI濾波器這些被動(dòng)元器件，會(huì)增加成本；通過(guò)LAYOUT技巧降低EMI顯然比較費(fèi)時(shí)，而且因設(shè)計(jì)的不同，手段也不盡相同。

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

概述

時(shí)鐘展頻通過(guò)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(guò)降低時(shí)鐘在基頻和奇次諧波頻率的幅度（能量），達(dá)到降低系統(tǒng)電磁輻射峰值的目的。

一般數(shù)字時(shí)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(duì)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(guò)增加時(shí)鐘帶寬的方法降低峰值能量，減小時(shí)鐘的Q值。圖1示意SSCG的工作原理。

圖1.SSCG降低EMI示意圖

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

應(yīng)用特點(diǎn)

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

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(dòng)的EMI抑制器件通常也會(huì)集成ESD保護(hù)功能，是不耗電的。SSCG由于使用到展頻等集成電路功能，會(huì)消耗能量。

調(diào)制參數(shù)

時(shí)鐘展頻有三個(gè)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(shí)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(yuǎn)小于源時(shí)鐘的頻率 fc 以免引起時(shí)序問(wèn)題（建立/保持時(shí)間等），同時(shí)應(yīng)當(dāng)高于人耳可識(shí)別的聲音的頻率范圍（20Hz~20KHz）以免產(chǎn)生噪音。在實(shí)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(shí)鐘頻率 fo以調(diào)制速度MR偏移源時(shí)鐘頻率 fc的大小。調(diào)制深度以偏移（Δf）源時(shí)鐘頻率的百分比（%）來(lái)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(shí)，需要合理預(yù)計(jì)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(duì)比。

圖2.調(diào)制深度對(duì)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(wèn)題的根源，SSCG不僅衰減基頻的EMI輻射，同時(shí)也抑制奇次諧波上的能量輻射，而且相比于基頻，SSCG對(duì)于奇次諧波的衰減作用更為顯著。這是因?yàn)槠娲沃C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(duì)簡(jiǎn)單，顧名思義，線性調(diào)制后輸出的時(shí)鐘頻率是線性變化的。這種調(diào)制方法的缺點(diǎn)，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(gè)EMI測(cè)試的失敗。旁瓣的輻射峰值可能超出SPEC范圍，設(shè)計(jì)者需要考慮到這點(diǎn)的影響。

圖4.線性調(diào)制方式 & 輸出頻譜

通過(guò)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(diǎn)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(hào)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(gè)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(shí)鐘相對(duì)源時(shí)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(shí)鐘的平均頻率和源時(shí)鐘頻率相同的展頻方式。在未調(diào)制輸出時(shí)鐘頻率等于輸入時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時(shí)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(shí)鐘以±1%調(diào)制深度中間展頻后，輸出時(shí)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(diǎn)，其中圖8表示輸出時(shí)鐘頻率 fo 隨時(shí)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(shí)鐘的最高頻率等于源時(shí)鐘頻率的展頻方式。在未調(diào)制時(shí)鐘輸出頻率等于輸入時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時(shí)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(shí)鐘以-1%調(diào)制深度向下展頻后，輸出時(shí)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(diǎn)，其中圖10表示輸出時(shí)鐘頻率 fo 隨時(shí)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(shí)鐘的最低頻率等于源時(shí)鐘頻率的展頻方式。在未調(diào)制時(shí)鐘輸出頻率等于輸入時(shí)鐘頻率的系統(tǒng)中，展頻后輸出時(shí)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(shí)鐘以+1%調(diào)制深度向上展頻后，輸出時(shí)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(diǎn)，其中圖12表示輸出時(shí)鐘頻率（fo）隨時(shí)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(xiàng)

1. 時(shí)鐘抖動(dòng)

時(shí)鐘展頻的一大弊端是不能用于對(duì)時(shí)鐘精度敏感的應(yīng)用，如以太網(wǎng)和CAN總線。在選擇時(shí)鐘展頻和調(diào)制深度時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)間問(wèn)題、高誤碼率和PLL失鎖問(wèn)題。Jitter分為不同類別，對(duì)系統(tǒng)性能有不同程度的影響。

周期抖動(dòng) Period Jitter /PJ

周期抖動(dòng)是指輸出時(shí)鐘相對(duì)于理想時(shí)鐘的最大偏移值。周期抖動(dòng)一般是測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)（通常10,000個(gè)周期）所有的時(shí)鐘，取其中時(shí)鐘邊沿偏離的最大值（earliest and latest edge）。

周期抖動(dòng)影響同步時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)序裕量，輸出時(shí)鐘相對(duì)理想位置的偏移會(huì)對(duì)建立/保持時(shí)間造成影響。例如，100MHz時(shí)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(shí)鐘周期的變化范圍是9.9ns~10ns。這樣的話，理想的展頻時(shí)鐘就有0.1ns（100ps）的周期抖動(dòng)。增加調(diào)制深度（1%）或時(shí)鐘頻率（100MHz）其中任何一項(xiàng)，周期抖動(dòng)都會(huì)線性增加，從而導(dǎo)致時(shí)序問(wèn)題。另外，以上討論的周期抖動(dòng)僅僅是由時(shí)鐘展頻引入的，還不包括設(shè)備（時(shí)鐘發(fā)生器）本身固有的Jitter，實(shí)際上展頻時(shí)鐘的Jitter應(yīng)該包括這兩部分。時(shí)鐘固有Jitter可以在關(guān)閉展頻后測(cè)量出來(lái)。

長(zhǎng)時(shí)抖動(dòng) Long-Term Jitter /LTJ

長(zhǎng)時(shí)抖動(dòng)類似于周期抖動(dòng)，是指在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（many cycles）輸出時(shí)鐘相對(duì)理想時(shí)鐘的最大偏移值。時(shí)鐘展頻在這方面表現(xiàn)更為明顯。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的變化，其時(shí)鐘信號(hào)邊緣與理想位置偏移更大。關(guān)于長(zhǎng)時(shí)抖動(dòng)比較顯著的例子是顯卡驅(qū)動(dòng)顯示器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，過(guò)多的長(zhǎng)時(shí)抖動(dòng)會(huì)引起像素值偏離設(shè)定值。

周期間抖動(dòng)Cycle-to-Cycle Jitter /CTCJ

周期間抖動(dòng)是指一個(gè)時(shí)鐘周期相對(duì)它之前時(shí)鐘周期的偏移量。在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行等間隔取樣的通信系統(tǒng)或ADC電路中，周期間抖動(dòng)會(huì)造成非常不利的影響。采樣時(shí)鐘的周期間抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致取樣點(diǎn)不準(zhǔn)確，因而引起輸出數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

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

2. 帶PLL的展頻

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