Spread Spectrum Clocking: Von MEMS-Oszillatoren und EMV

Oszillatoren sind als hochgenaue Taktgeber in den meisten Elektronikschaltungen unerlässlich. Sie erzeugen als störende Nebeneffekte allerdings elektromagnetische Interferenzen. Diese lassen sich reduzieren, wenn anstelle von Standardware Spread-Spectrum-Oszillatoren zum Zuge kommen.

Jedes elektrische Gerät erzeugt unbeabsichtigte elektromagnetische Strahlung. Im Zuge des technologischen Fortschrittes in der Halbleiter- und Computertechnologie steigen diese Emissionen – bedingt durch höhere Prozessorgeschwindigkeiten und Datenraten. EMI (Electromagnetic Interference) steht zunehmend im Fokus und stellt eine der größten Herausforderungen dar, um den Bestimmungen der elektromagnetischen Verträglichkeit gerecht zu werden.

Einen großen Anteil an diesen unerwünschten Effekten haben Taktgeber wie Oszillatoren und PLLs. Das Frequenzspektrum des Rechtecktaktes, das ein Oszillator erzeugt, besteht aus der Nominalfrequenz sowie deren Harmonischen. Je steiler das Taktsignal, desto mehr Leistung entfällt auf die harmonischen Frequenzen. An dieser Stelle setzen die Spread-Spectrum-Oszillatoren (SSC-Oszillatoren) an, denn sie bieten eine effiziente und wirtschaftliche Lösung, um das EMI-Problem an der Wurzel zu fassen.

Spread Spectrum = Frequenzspreizung

Frequenzspreizung ist ein geläufiger Begriff in der Nachrichtentechnik. Er beschreibt ein Verfahren, um ein schmalbandiges Signal in ein Signal mit einer größeren Bandbreite umzuwandeln. Die Bandbreite ist dabei größer, als es für die eigentliche Informationsübertragung nötig wäre. Die Sende-Energie wird auf einen größeren Frequenzbereich verteilt.

Ein interessanter Einsatzbereich dieses Verfahrens ist die Störminimierung in der Digitaltechnik, bei der es im Speziellen darum geht, die spektrale Dichte von Taktsignalen zu verringern, und zwar mit dem Ziel, Funk- oder Funktionsstörung auf benachbarte Geräte zu verhindern und so die Normen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen. Das Verfahren ist unter den Begriffen „Spread Spectrum Clocking (SSC)“, „Spread-Spectrum-Takterzeugung (SSCG, Spread Spectrum Clock Generation)“ sowie „Dithering“ geläufig.

Spread Spectrum Clocking

Die Modulation der Taktfrequenz wurde von Entwicklern bereits eingehend untersucht, bevor man überhaupt für Applikationen mit hohem Systemtakt bezahlbare Lösungen gegen EMI-Probleme suchte. Im Jahre 1994 schließlich stellten Keith Hardin, John Fessler und Donald Bush, Ingenieure von Lexmark International, auf dem IEEE International Symposium on EMC ein Konzept vor, das auf dem sogenannten Chirp-Spread-Spektrum-Verfahren (CSS) basiert. Bei diesem wird ein Rechteck-Taktsignal mit einem niederfrequenten Signal moduliert, um unerwünschte Emissionen elektrischer Geräte zu reduzieren. Das periodische Taktsignal hat meist ein sehr schmales Frequenzspektrum, und die ausgestrahlte Energie beschränkt sich auf eine sehr kleine Bandbreite. Darauf aufbauend begann man, um die hohen Peaks eines reinen Taktsignals (engl. Clock) zu vermeiden, die Taktfrequenz über einen definierten Frequenzbereich fortlaufend leicht zu variieren. Dieses sogenannte Spread Spectrum Clocking versieht das Taktsignal künstlich mit Jitter und vermeidet so einzelne, sehr hohe Leistungsspitzen bei der Nominalfrequenz. Es treten vielmehr vielzählige, mit vergleichsweise geringer Leistung versehene Signale auf. Die abgestrahlte und störende Energiemenge bleibt in Summe gleich, verteilt sich aber auf einen größeren Frequenzbereich.

Durch diese Frequenzspreizung können ohne aufwändige Filterung der Schaltfrequenz die gesetzlichen Vorgaben erfüllt werden, zumal die gültigen Normen in der Regel die maximal zulässige EMI-Strahlung anhand der Spitzen-EMI-Emissionen spezifizieren – und nicht über die gemittelten Werte. Der Ansatz der Spread Spectrum Technology (SST) zielt also darauf ab, die Energie durch langsame Modulation der Taktfrequenz mit einer Modulationsfrequenz breitbandiger aufzuspreizen – zum Beispiel auf eine Mittenfrequenz ±1 %.

Die für dieses Verfahren vorgesehenen Oszillatoren nennt man sinnvollerweise Spread-Spectrum-Oszillatoren (SSC, Spread Spectrum Clock Oscillators) und es genügt in vielen Fällen, den bislang verwendeten Oszillator mit einem pinkompatiblen SSC zu ersetzen. Allein diese Maßnahme reicht oft zur Einhaltung einschlägiger EMI/EMV-Vorschriften, da SSC die EMI in der Regel um 10 bis 15 dB reduzieren können.

SSC-Oszillatoren gehören zum Sortiment der meisten Oszillatorhersteller und sind sowohl Quarz- als auch MEMS-basierend verfügbar. Im Bereich der MEMS-Lösungen ist das Unternehmen SiTime Marktführer. Dieser Komponentenhersteller produziert MEMS-Oszillatoren im kostengünstigen QFN-SMD-Gehäuse, das in den Größen 2 × 1,6 mm², 2,5 × 2 mm² und 7 × 5 mm² erhältlich ist.