Frequenzsynthesizer, Quarzoszillatoren, Taktsignalgeber-IC’s, etc., sind, obwohl sie wesentlich für die ordnungsgemäße Funktion von vielen elektronischen Geräten notwendig sind, die Haupt-EMV-Erzeugerquellen in elektronischen Schaltkreisen. EMV-Reduzierung ist deshalb das Top-Thema für die Entwickler digitaler Systeme, die taktsignal- und frequenzerzeugende Komponenten verwenden.  

Obwohl konventionelle EMV-Reduzierungs-Methoden (Abschirmung, spezielle Beschichtungen, Filterkomponenten, usw.) immer noch allgemein verwendet werden, haben die immer strengeren EMV-Vorschriften und das Kostenbewusstsein zur Entwicklung alternativer und kostengünstiger Lösungen geführt.

Zusätzlich zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Signals, strahlt ein Frequenzgenerator auch elektromagnetische Wellen über das Frequenzspektrum des elektrischen Signals aus, welches durch ihn erzeugt wird. Diese elektromagnetischen Wellen weisen eine Frequenz auf, die auf andere Geräte ansprechen können. In diesem Fall könnte dieser Umstand eine ordnungsgemässe Funktion dieser Geräte verhindern. Solche elektromagnetischen Emissionen stellen elektromagnetische Störungen (EMV) dar. Je grösser die ausgestrahlte Energie des Signals ist, umso stärker ist die Störung. EMV bestimmt sich daher durch die von der Frequenzquelle ausgestrahlte Energie, üblicherweise nach dem resultierenden elektrischen Feld, welches in dBµV/m in einer bestimmten Frequenz gemessen wird.

Es ist wichtig, anzumerken, dass EMV-Emissionen über das gesamte Frequenzspektrum des Signals, welches EMV verursacht, erzeugt werden. Deshalb ist bei der Berücksichtigung der EMV-Emissionen über ein bestimmtes Frequenzspektrum zwischen Spitzenemissionen und durchschnittlichen Emissionen zu unterscheiden. Spitzenemissionen werden als das höchste dBµV/m-Niveau, das über das Frequenzspektrum des Signals erreicht wird, definiert, während durchschnittliche Emissionen als das dBµV/m-Niveau definiert werden, das über das Frequenzspektrum des Signals ausgestrahlt wird.

In Bezug auf EMV konzentrieren sich die bestehenden Vorschriften im Wesentlichen auf die Verhinderung von Störungen bei jedweder bestimmten Frequenz. Deshalb begrenzen Regulierungsbehörden Spitzenemissionen eher als durchschnittliche Emissionen.

Für eine bestimmte Signalquelle konzentriert sich die ausgestrahlte Energie (in anderen Worten die EMV-Emissionen) innerhalb des Frequenzspektrums des Signals. Anders betrachtet bedeutet dies, dass, wenn die Stärke des Signals konstant gehalten wird, die Spitzenemissionen reduziert werden, sobald das Frequenzspektrum des Signals über eine größere Bandbreite gestreut werden kann. Die Anwendung dieses Prinzips wird als Spreizspektrum bezeichnet.

Spread Spectrum ICs senken die EMV und die Kosten
Für Anwendungen, bei denen EMV-Emissionen kritisch sind, empfehlen wir den Einsatz von Frequenzsynthesizern und Taktgebern mit SST (Spread Spectrum Technology = Spreizspektrum-Technology) unserer Serie PLL701, um EMV-Emissionen direkt an ihrer Quelle zu reduzieren, anstatt posteriori-Methoden (wie Abschirmung, Beschichtung oder zusätzliche Filter) zu verwenden, um deren Ausbreitung zu begrenzen. Indem andere EMV-Reduzierungsmethoden und -Komponenten unnötig werden, ergeben sich aus SST häufig wichtige Kosteneinsparungsmöglichkeiten. SST-Taktchips und SST-Frequenzgeber ermöglichen dem Entwickler beispielsweise die Anzahl der Komponenten zu verringern, die Vorbereitung und Montage des Gehäuses zu vereinfachen oder günstigere Gehäusematerialien zu verwenden. Erfahrungen in der Praxis zeigten, dass durch den Ersatz eines traditionellen Metallgehäuses zur Verringerung von EMV-Emissionen mit einer fortschrittlichen Spread-Spectrum-Technology Kosteneinsparungen von € 10,00 pro Gerät erreicht werden konnten.

Ein weiterer Vorteil den unsere SST basierenden Bausteine in miniaturisierten QFN, SSOP 8 und SSOP 16 Gehäusen dem Anwender bieten ist die Reduktion der Entwicklungszeit, damit als Konsequenz die Flexibilität und die schnellere Marktreife neuer Produkte.

Das Spektrum an verfügbaren SST-IC’s ist so vielfältig, dass es für jede Problemstellung die kostengünstige Lösung gibt.

Wie funktioniert Spread Spectrum?
Eine leichte Frequenzmodulation für das Signal, welches EMV verursacht, ist mit der Anreicherung des Frequenzspektrums dieses Signals vergleichbar, was bedeutet, dass das Frequenzspektrum über eine grössere Bandbreite verteilt und somit die gewünschte „Streuung“ des EMV-Emissions-Spektrums erreicht wird. Durch die Verwendung von Niedrig-EMV-Frequenzsynthesizern und Taktgebern mit SST (Spread Spectrum Technology) können EMV-Reduzierungen von 10 bis 20dB und mehr erreicht werden.

Abbildung 1 zeigt das Dreiecksmodulationsprofil, welches zur Erzeugung unserer SST verwendet wird; es ist deutlich, dass die verwendete Modulationsfrequenz (Ablenkgeschwindigkeit) im Verhältnis zur Frequenz des Taktsignals, bei dem SST angewandt wird, extrem niedrig ist (typische Ablenkgeschwindigkeiten variieren von 30kHz bis zu 60kHz, abhängig von den Komponenten).

Abbildung 2 zeigt das Frequenzspektrum der EMV-Emissionen eines typischen, nicht modulierten quadratischen Wellensignals mit einer Nennfrequenz von F_o und dem entsprechenden Frequenzspektrum des gleichen Signals nach der SST-Modulation. Im Vergleich mit dem modulierten Signal resultiert das relative Schmalband-Frequenzspektrum in einer entsprechenden Spitze der EMV-Emissionen bei einer Frequenz von F_o .

Die Modulation wird durch die Veränderung der Ausgangsfrequenz nach oben und unten im Nenn-Frequenzbereich erreicht. Diese Veränderung zeichnet sich durch eine Frequenzabweichung nach oben (∆F_up) und eine Frequenzabweichung nach unten (∆F_down) aus. Durch sehr kleine Schritte nach oben (oder unten) wird die Frequenz des Signals bis zur maximalen Frequenz F_max (oder minimalen Frequenz F_min) moduliert und an diesem Punkt der Prozess umgekehrt. Die Augenblicks-Ausgangsfrequenz schwankt daher immer zwischen:

F_max = F_o + ∆F_up and F_min = F_o — ∆F_down

Dadurch definiert sich die Höhe der Modulation als Differenz zwischen F_max and F_min:

F_max — F_min = ∆F_magn = ∆F_up + ∆F_down

Die Höhe der Modulation und die Modulationsunterschiede zur Nominalfrequenz werden normalerweise in Prozent (%) angegeben.

Je größer die Höhe der Modulation, desto breiter ist der Spread im Spectrum, bzw. die EMV Reduktion. Anders ausgedrückt: eine Modulation mit einem großen prozentualen Wert reduziert die EMV-Emission am stärksten.

Down Spread und asymmetric Spread verhindern das Übertakten (Over-clocking)
Das modulierte Signal, wie es in Abbildung 2 gezeigt wird, resultiert aus einer Modulation im Bereich der Nennfrequenz (F_o), die als „Center Spread“ bezeichnet wird. Es wird als Center-Spread bezeichnet, weil in diesem Falle ΔF_up = ΔF_down = 0,5%, wobei F_o im Zentrum der Modulation liegt. Wie vorstehend angeführt, resultiert dies in einer maximalen Augenblicksfrequenz von F_max = F_o + ΔF_up, die offensichtlich höher ist, als die Nennfrequenz. Obwohl die eingesetzten maximalen Frequenzabweichungen für SST unter 4% der Nennfrequenz liegen (mit typischen Werten unter 1%), tolerieren einige Systeme keine Takte oder Signale oberhalb der Nennfrequenz. Der Betrieb oberhalb der Nennfrequenz wird Übertaktung genannt.

In einer Situation, in der SST gewünscht, aber Übertaktung nicht toleriert wird oder begrenzt werden muss, sollte Abwärts-Streuung und asymmetrische Streuung in Betracht gezogen werden.

Abwärts-Streuung wird als eine SST-Modulation definiert, bei der die maximale Augenblicks-Ausgangsfrequenz (F_max) auf die Nennfrequenz (F_o) begrenzt und somit Übertaktung vermieden wird. Dies bedeutet, dass ΔFup auf Null gesetzt wird und ΔF_magn = ΔF_down ist. Es gibt keinen Unterschied bei der Center-Spread-Modulation bei der Verwendung, außer, dass das Signal im Bereich der Mittenfrequenz (F_c) moduliert wird, die unterhalb der Nennfrequenz (F_o) liegt. Das Spektrum eines mit Abwärts-Streuung SST modulierten Signals wird in Abbildung 3 dargestellt. Der Nachteil der Abwärts-Streuungs-Modulation besteht darin, dass die durchschnittliche Ausgangsfrequenz unterhalb der Ausgangsfrequenz liegen wird (tatsächlich entspricht sie F_c). Deshalb bestehen Einbußen zwischen der durchschnittlichen Ausgangsfrequenz, der maximalen tolerierten Übertaktung und der maximalen SST-Modulationsamplitude.

Geringfügiger oder vernachlässigbarer Einfluss auf den Cycle-to-Cycle Jitter
Wird das modulierte Signal im Frequenzbereich betrachtet, resultieren Abweichungen in der Augenblicksfrequenz in Änderungen der Zyklus-zu-Zyklus-Zeit des Ausgangssignals. Es könnte sich die Frage stellen, wie sehr die SST-Modulation die Jitter-Leistung bei Frequenzsynthesizern oder Taktgebern beeinflusst. Tatsächlich macht der Unterschied in der Zyklus-zu-Zyklus-Zeit aufgrund der SST-Modulation weniger als 0,05% des Zyklus-zu-Zyklus-Jitters ohne SST aus. Deshalb haben SST-Frequenzsynthesizer und -Taktgeber die gleichen Zyklus-zu-Zyklus-Jitter-Leistung, wie nicht gestreute Taktgeber-Komponenten. Ein weiterer Vorteil, SST-Komponenten von PhaseLink einzusetzen.

Ausführliche Produktinformationen:

Spread Spectrum ICs Series PLL701