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Spread Spectrum Clocking:

Von MEMS-Oszillatoren und EMV

17. August 2016, 12:41 Uhr | Von Axel Gensler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

SSC-Oszillator in der Praxis

Zum besseren Verständnis wird im Folgenden der Ausgang eines Spread-Spectrum-Oszillators der Serien SiT9001/SiT9002/SiT9003 durch Modulation der PLL mit einem in Bild 2 dargestellten 32-kHz-Dreieckssignal konditioniert. Der Schaltungsentwickler kann zudem verschiedene Parameter vorauswählen – so zum Beispiel den Spreizbereich (Spreading Type) und die Spreizbreite (Spread Option [%]) applikationsspezifisch einstellen:

Optionen bei Centre Spread: ±0,25 % , ±0,5 % , ±1 %, ±2 %
Auswahl bei Down Spread: –0,5 % , –1% , –2 % , –4 %

Im gewählten Schaltbeispiel wird die Dreiecksform als Modulationssignal gewählt, da sie eine akzeptable Leistungsdichte in der Frequenzdomäne aufweist. Bild 3 (linke Hälfte) zeigt die spektrale Darstellung eines Ausgangstaktes ohne Frequenzspreizung; die rechte Bildhälfte indes bildet das Signalverhalten im Fall der Spreiztechnik ab. Man sieht anhand der beiden roten Grenzlinien, dass sich die spektrale Amplitude durch gezieltes Ausbreiten der in einem Taktsignal enthaltenen Energien über einen kleinen Bereich von Frequenzen nennenswert verringern lässt.

Um ein besseres Verständnis für die Vorteile des Spread-Spektrum-Taktes zu bekommen, empfiehlt es sich, am Beispiel eines Oszillators der Serie SiT9001 Messungen mit einem Spektrumanalysator vorzunehmen. Zugrunde gelegt wird eine Taktfrequenz von 125 MHz; außerdem wird für den Test eine Abwärtsspreizung (Down Spread) von 2 % vorgewählt. Bild 4 dokumentiert die am Testbaustein vorgenommenen Messungen am Oszillatorausgang, die auf dem Display des Spektrumanalysators festgehalten wurden. Der EMI-Durchschnittswert des Spektrums verringert sich bei eingeschalteter Spreizfunktion um 13 dB gegenüber dem Signal ohne Spreizung (siehe Marker 3 gegenüber Markierung 1), während die Spitze-Spitze-Reduktion bei ca. 11 dB liegt (siehe Marker 3 gegenüber Markierung 2).

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SSC-Oszillator in der Praxis

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Abschätzung der EMI-Reduzierung

Eine grobe Abschätzung der möglichen EMI-Reduzierung durch den Einsatz der Spread-Spectrum-Technologie kann anhand folgender Gleichung berechnet werden:

$Error converting from MathML to accessible text.$

S steht hierbei für „Peak-to-Peak Spread“, f_c ist die Trägerfrequenz (Carrier Frequency) und RBW ist die Auflösungsbandbreite des Spektrumanalysators.

Aus den Ergebnissen von Gleichung 2 und verglichen mit denen der Messwerte in Bild 4 am Beispiel des SiT9001 bei 125 MHz und einem Down Spread von 2 % ergibt sich rechnerisch:

$left parenthesis 3 right parenthesis space Reduktion equals 10 times log subscript 10 fraction numerator open vertical bar negative 0 comma 02 close vertical bar times 125 space MHz over denominator 0 comma 1 space MHz end fraction dB equals 14 dB$

Der berechnete Wert liegt in der Nähe des gemessenen Spitze-zu-Mittelwert-Ergebnisses von 13 dB. Er ist ca. 2 dB höher als der Spitze-zu-Spitze-Wert von 11 dB, wohl bedingt durch die Welligkeit (Ripple) im Spektrum. Diese Abweichung sollte der Anwender berücksichtigen, wenn er Gleichung 3 zur Abschätzung der Spitze-zu-Spitze-EMI-Reduzierung heranzieht.

Zur weiteren Verifizierung der erwähnten Gleichungen werden im Folgenden – wieder am Beispiel des SiT9001 – die Messkurven bei drei verschiedenen Down-Spread-Einstellungen erfasst und diese dann mit den Werten der theoretischen Berechnungen verglichen.

Die Ergebnisse dieser Gegenüberstellung zeigt Bild 5. Die gestrichelten Linien repräsentieren die berechneten Werte, während die durchgezogenen Linien die real gemessenen Spitze-zu-Durchschnitt-Werte abbilden. In diesem Fallbeispiel wurde mit einem Rohde-&-Schwarz-Spektrumanalysator gemessen. Aus den Messkurven wird ersichtlich, dass die berechneten Werte mit einer Toleranz von ±1 dB mit den realen Messkurven übereinstimmen.