Spread Spectrum Clocking:
Von MEMS-Oszillatoren und EMV
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wichtige Parameter für SSC-Oszillatoren
Das EMI-Verhalten von SSC-Oszillatoren wird im Wesentlichen von vier technischen Faktoren beeinflusst.
Unter dem Modulationsindex δ oder Modulationsgrad versteht man die Höhe der Frequenzänderung (oder Spread) als relative Prozentzahl der gewünschten Taktfrequenz fc. Generell gilt hier, dass die EMI umso stärker reduziert werden kann, je höher der Modulationsindex δ ausfällt. Die Ausgangsfrequenz fc wird im Falle der Dreiecksmodulation zwischen f(max) über fc (nominal) bis zu f(min) gewobbelt.
Der Modulationsgrad, angegeben in Prozent der Nominalfrequenz, bestimmt die Bandbreite der Spreizung. Das bedeutet, dass die Amplitude des kHz-Modulationssignals die Bandbreite verändert, während die Modulations-Trägerfrequenz den Abstand der spektralen Energieverteilung bestimmt.
Übertragen auf ein Beispiel kann man feststellen: Wenn die Frequenz des Taktgebers 100 MHz und die Modulation einen Gesamt-Frequenzhub von 1 MHz betragen soll, ergibt sich für die Bandbreite in Prozent: 1/100 = 1 %. In der Praxis gilt eine Bandbreite von mehr als 5 % bereits als extrem.
Die Modulation auf die Nominalfrequenz des Oszillators gilt im gleichen Umfang auch für die Harmonischen dieses Taktes. Ist die Nominalfrequenz 100 MHz, so beträgt die 3. Harmonische 300 MHz und die 5. Harmonische 500 MHz. Der einprozentige Spread bei den Grundfrequenzen gilt auch für die 3. und 5. Harmonischen. Die Auswirkung der Modulation auf die EMI-Reduktion ist bei den höheren Harmonischen größer als bei der Grundfrequenz. Dies liegt daran, dass die einprozentige Spread bei 100 MHz nun mal 1 MHz beträgt, aber schon 3 MHz bei der 3. Harmonischen.
Die Modulationsfrequenz fm ist die Geschwindigkeit, mit der die Taktfrequenz zwischen fc und (1 – δ) · fc moduliert wird. Üblicherweise liegt die Modulationsträgerfrequenz fm (Sweep Rate) im kHz-Bereich und ist damit deutlich langsamer als die MHz-Taktfrequenz fc des Oszillators.
Im Datenblatt eines SSC-Oszillators findet man die Angabe als Modulationsrate in kHz. Sie liegt im Bereich von 30 bis 150 kHz. Es gibt mehrere Bedingungen, welche die maximale und minimale fm diktieren: In der Regel ist sie größer als 30 kHz, um nicht mit dem Audioband zu kollidieren, aber klein genug, um sich nicht auf den normalen Betrieb des Systems selbst auszuwirken – beispielsweise auf die Schleifenbandbreite der nachgeschalteten PLL.
Das Modulations-Profil gibt an, wie die Taktfrequenz zwischen fc und (1 – δ) · fc im Zeitbereich moduliert wird. Beispiele für die in Frage kommenden Signalformen sind Hershey Kiss sowie Dreiecksignal.
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Bei den SSC-Oszillatoren kommen zwei Verfahren zum Einsatz, die man als Spread-Typen bezeichnet: der Centre Spread oder der Down Spread. Im Falle des letzteren erfolgt die Modulation – bezogen auf die Nennfrequenz – auf einer Seite hin zu niedrigeren Frequenzen. Beim Centre Spread indes erfolgt sie zu gleichen Teilen – 50 % nach unten und 50 % nach oben. Übertragen auf das Beispiel eines 100-Hz-SCC-Oszillators, der mit der Nennfrequenz von 100 MHz und einem Centre Spread von ±0,5 % spezifiziert ist, wird dessen Mittenfrequenz zwischen 99,5 MHz und 100,5 MHz moduliert. Im Falle eines 0,5 % Down Spread hingegen bewegt sich der Frequenzbereich zwischen 99,5 MHz und 100 MHz. Der Down Spread, der auch asymmetrische Spreizung genannt wird, kommt dann zum Zuge, wenn das System eine Betriebsfrequenz, die höher als die Nennfrequenz ist, nicht tolerieren kann. Eine etwas geringere Taktrate muss hier allerdings hingenommen werden.
Bild 1 zeigt in diesem Zusammenhang die EMI-Reduktionsmenge in Abhängigkeit von den eben beschriebenen Parametern.
Vereinfachte Abschätzung der EMI-Dämpfung
Die Energie-Unterschiede in Abhängigkeit von der Taktfrequenz werden in dB gemessen. Generell lässt sich sagen, dass die Spitzenenergie-Reduktion umso stärker ausfällt, je breiter man die Streuung wählt. Eine Formel zur Berechnung der Leistungsreduktion in dB gibt Gleichung 1 wieder, wobei hier – ausgehend von einem idealen Takt mit einem Tastverhältnis von 50 % – nur die ungeraden Harmonischen Berücksichtigung finden:
(1) Reduktion [dB] = 6,5 + 9 log10(F) + 9 log10(BW)
F steht dabei für die Frequenz in MHz sowie BW für total % Spread (1,5 % = 0,015). Ausgehend von einem 100- und einem 500-MHz-Takt mit 1,5 % Spread ergibt dies folgende dB-Reduzierungen:
- Reduktion (100 MHz) = (6,5 + 18 – 16,41) dB = 8,08 dB
- Reduktion (500 MHz) = (6,5 + 24,13 – 16,41) dB = 14,37 dB
- Von MEMS-Oszillatoren und EMV
- Wichtige Parameter für SSC-Oszillatoren
- SSC-Oszillator in der Praxis
- Spread-Spectrum-Auswirkungen auf die Takt-Oberwellen
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