Einleitung: Digitale elektronische Systeme bereichern unser Leben, doch digitale Taktsignale können auch negative Auswirkungen haben, indem sie (über Kabel) Störungen verursachen oder elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugen. Aufgrund potenzieller Störungen müssen elektronische Produkte gemäß den relevanten Normen geprüft werden, um die Einhaltung der EMV-Vorschriften zu gewährleisten. Die Spread-Spectrum-Oszillator-Technologie, die harmonische Störungen auch unter nicht-stillen Bedingungen eliminieren kann, rückt zunehmend in den Fokus der Entwicklung für elektronische Instrumente in der Automobilindustrie sowie für die Zusatzelektronik von Fahrer und Beifahrer. Abbildung 1: Blockdiagramm des programmierbaren Taktgenerators DS1086. Abbildung 2: Vergleich des Spektrums eines Quarzoszillators mit dem Spektrum des DS1086. Abbildung 3: Spektrum des Aufwärtswandlers MAX1703: Grundfrequenz bei 300 kHz (Selbstoszillatorfrequenz), mit signifikanten Oberwellen über das gesamte Frequenzband bis 10 MHz. Abbildung 4: Die Synchronisierung des Aufwärtswandlers MAX1703 mit einem Spread-Spectrum-Oszillator eliminiert spektrale Spitzen und senkt den Gesamtrauschpegel. Die Spread-Spectrum-Technologie erfüllt somit effektiv die FCC-Vorschriften und die Anforderungen an die EMV-Verträglichkeit. Die Qualität der EMV-Verträglichkeit hängt maßgeblich von der Durchlassbandleistung der Messtechnik ab. Spread-Spectrum-Oszillatoren lösen das Problem hochkonzentrierter Spitzenenergie grundlegend, indem sie diese innerhalb des Rauschpegels verteilen. Dadurch wird der Bedarf an Filterung und Abschirmung reduziert und weitere Vorteile geboten. Hochwertige Multimedia-, Audio-, Video- und Drahtlossysteme spielen in der modernen Automobilelektronik eine immer wichtigere Rolle und zwingen Entwickler, die in den empfindlichen Frequenzbändern dieser Subsysteme verteilte Hochfrequenzenergie (HF-Energie) zu berücksichtigen. Bei hochwertigen Drahtlosgeräten bestimmt die Fähigkeit zur Eliminierung von HF-Spitzenenergie direkt die Effektivität der Lösung. Seit vielen Jahren nutzen drahtlose Kommunikationsprodukte die Frequenzmodulation, um die Auswirkungen von Schaltrauschen zu vermeiden. Diese Drahtlosgeräte kommunizieren mit dem Netzteil und veranlassen es so, seine Schaltfrequenz entsprechend anzupassen, wodurch Energiespitzen außerhalb des Eingangsbandes des Tuners verschoben werden. In der modernen Automobilelektronik wird die Gewährleistung eines koordinierten Systembetriebs mit der zunehmenden Anzahl von Störquellen immer schwieriger. Diese Situation wird durch die Vielfalt der Geräteantennen und die Einschränkungen bei der Platzierung neu hinzugefügter Subsysteme zusätzlich verkompliziert. Spread-Spectrum-Oszillatoren (SS) bieten einzigartige Vorteile in digitalen Audio- und Freisprechsystemen. Diese Systeme nutzen typischerweise Codecs zur Verbesserung der Audioqualität und verbinden sich über digitale Schnittstellen mit Mobiltelefonen oder anderen Endgeräten zur Informationsverarbeitung. Durch die Verwendung eines Jitter-Oszillators (Spread-Spectrum-Oszillators) als Taktgeber für den Codec lassen sich harmonische Störungen auch bei Umgebungsgeräuschen eliminieren. Diese Technologie ist in Multimediasystemen mit Schaltkondensator-Codecs weit verbreitet. Neben der Unterdrückung harmonischer Störungen können SS-Oszillatoren Energiespitzen unter den Rauschpegel senken und so Interferenzen in Frequenzsprung-Funknetzen minimieren. In der Automobilelektronik der nächsten Generation nutzen nahezu alle Subsysteme die SS-Takttechnologie, um die Systemleistung zu verbessern und elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren. Für diese Anwendung hat Maxim/Dallas Silizium-Oszillatoren entwickelt, die zuverlässigen Start und Stoßfestigkeit bieten. Sie sind im Vergleich zu Keramikresonatoren kostengünstig und decken einen Frequenzbereich von Kilohertz bis zu mehreren zehn Megahertz ab. Eine effektive EMV-Kontrolle stellt eine zentrale Herausforderung für Elektronikingenieure in der Automobilelektronik dar. Digitale Systemtakte sind eine bedeutende EMV-Quelle, da sie typischerweise die höchste Frequenz im System aufweisen, oft periodische Rechteckwellen erzeugen und die längsten Leitungslängen in der Systemverkabelung besitzen. Das Taktsignalspektrum umfasst die Grundfrequenz und Oberwellen, wobei die Amplitude der Oberwellen mit steigender Frequenz abnimmt. Andere Signale im System (Signale auf den Daten- oder Adressbussen) werden mit taktsynchronen Frequenzen aktualisiert, jedoch in unbestimmten Zeitabständen und unkorreliert. Das resultierende Rauschspektrum belegt eine große Bandbreite, und seine Amplitude ist deutlich geringer als die des Taktsignals. Obwohl die gesamte Rauschenergie dieser Signale wesentlich höher ist als die des Taktsignals, ist ihr Einfluss auf EMV-Prüfungen minimal. EMV-Prüfungen konzentrieren sich auf die Amplitude der höchsten spektralen Leistungsdichte, nicht auf die gesamte abgestrahlte Energie. In der Praxis lässt sich die EMV-Performance durch Filterung, Abschirmung und ein optimiertes Leiterplattenlayout verbessern. Das Hinzufügen von Filtern und Abschirmungen erhöht jedoch die Systemkosten, und ein präzises Leiterplattenlayout ist zeitaufwendig. Ein anderer Ansatz zur Lösung von EMV-Problemen besteht darin, die Rauschquelle (üblicherweise den Taktoszillator) direkt anzugehen. Durch die Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Taktfrequenz lassen sich die Amplituden der Grundwelle und ihrer Oberschwingungen leicht reduzieren. Die Energie eines Taktsignals ist konstant. Ein Takt mit variabler Frequenz verbreitert das Spektrum und reduziert so die Energie der Oberschwingungen. Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines solchen Takts ist die Modulation eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) mit einer Dreieckswelle. Der resultierende Taktbereich vergrößert sich mit der Amplitude der Dreieckswelle. In praktischen Anwendungen muss die Repetitionsperiode der Dreieckswelle sorgfältig gewählt werden. Eine niedrige Dreieckswellenfrequenz kann über die Stromversorgung Kopplungsrauschen in das analoge Subsystem einkoppeln; eine Dreieckswelle mit zu hoher Frequenz stört digitale Schaltungen. Abbildung 1 zeigt ein Schaltbild eines Taktoszillators, der auf den obigen Überlegungen basiert. Er verwendet eine Dreieckswelle, um die Bandbreite des VCO-Ausgangsspektrums zu steuern. Die Mittenfrequenz des VCO wird durch einen DAC und einen programmierbaren 8-Bit-Frequenzteiler gesteuert und ist im Bereich von 260 kHz bis 133 MHz einstellbar. Die Ansteuerung des IC erfolgt über eine 2-Draht-Schnittstelle, das Steuerwort ist im On-Chip-EEPROM gespeichert. Ist die Frequenz auf den gewünschten Wert voreingestellt, kann das Gerät im Standalone-Modus arbeiten oder die Frequenz während der Ruhephase aktualisieren, was insbesondere bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch von Vorteil ist. Abbildung 2 zeigt einen Spektrumvergleich zwischen einem Standard-Quarzoszillator und einem Spread-Spectrum-Taktoszillator. Durch Anpassen der Amplitude der Dreieckswelle lässt sich das Spektrum um 4 % verbreitern, was zu einer Reduzierung der Spitzenamplitude um fast 25 dB im Vergleich zu einem Quarzoszillator führt. Bei Verwendung eines Spread-Spectrum-Oszillators als Taktquelle für einen Mikroprozessor ist es wichtig sicherzustellen, dass der Mikroprozessor Toleranzen im Tastverhältnis, der Anstiegs-/Abfallzeit und anderen Parametern tolerieren kann, die durch Schwankungen der Taktquellenfrequenz verursacht werden. Wird der Oszillator als Systemreferenztakt (Echtzeituhr oder Echtzeitüberwachung usw.) verwendet, können Frequenzschwankungen zu erheblichen Fehlern führen. Viele tragbare Verbraucherprodukte, wie z. B. Mobiltelefone, verfügen über HF-Funktionen. Die Spread-Spectrum-Technologie ist für die Schaltnetzteile dieser Produkte äußerst vorteilhaft. HF-Schaltungen (insbesondere VCOs) reagieren sehr empfindlich auf Netzteilrauschen. Tragbare Geräte müssen jedoch Schaltnetzteile verwenden, um eine effiziente Spannungswandlung zu gewährleisten und so die Akkulaufzeit zu verlängern. Schaltnetzteile weisen dasselbe Rauschspektrum wie Taktoszillatoren auf. Dieses Rauschen kann direkt in HF-Schaltungen eingekoppelt werden und die Systemleistung beeinträchtigen. Aufwärtswandler mit externer Synchronisation (z. B. der MAX1703) können einen Spread-Spectrum-Takt zur Steuerung ihrer Oszillationsfrequenz verwenden. Dies verbessert die Systemleistung im Vergleich zum Rauschspektrum eines selbstoszillierenden Aufwärtswandlers (Abbildung 3) (Abbildung 4). Selbstoszillierende Aufwärtswandler weisen über den gesamten 10-MHz-Bereich eine signifikante Oberwellenenergie auf, während Spread Spectrum die Amplitude der Oberwellenkomponenten auf den Rauschpegel reduziert. Es ist wichtig zu beachten, dass Spread Spectrum den Rauschpegel erhöht, da die Gesamtrauschenergie konstant ist. Vor dem Hinzufügen von Jitter zum Taktsignal müssen mehrere Fragen geklärt werden: Welche Jitter-Wellenform sollte verwendet werden? Wie hoch ist der maximal zulässige Taktversatz? Welche Jitterrate ist erforderlich? Welche Faktoren begrenzen die Jitterrate? Diese Fragen werden im Folgenden erläutert. Um sicherzustellen, dass das Taktsignal für das System akzeptabel ist, ist der Taktjitterbereich im Allgemeinen klein (<10 %). Daher ähnelt der Jitterprozess der Schmalband-FM-Modulation. Die entsprechende Modulationstheorie liefert einen einfachen Zusammenhang zwischen der Jitter-Wellenform und den spektralen Ergebnissen: Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Taktfrequenz hat dieselbe Form wie das Spektrum des jitterten Taktausgangssignals. Eine Sägezahnwelle ist eine gängige Jitter-Wellenform, bei der jeder Jitterzyklus jeden Frequenzpunkt exakt zweimal durchläuft. Da der Zeitanteil jedes Frequenzpunktes gleich ist, bleibt die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion über den gesamten Frequenzbereich konstant, was zu einer gleichmäßigen Wahrscheinlichkeitsverteilung führt. Das Spektrum dieser gejitterten Wellenform ist gleichmäßig, wobei die spektrale Energie gleichmäßig über ein schmales Frequenzband verteilt ist. Diese spektrale Verteilung ist für den zulässigen Frequenzbereich (F_max-F_min) optimal, da sie die niedrigste spektrale Energie an jedem Frequenzpunkt liefert. Dieses Spektrum lässt sich auch mithilfe eines Pseudozufallsfrequenz-Dithers erzeugen, der typischerweise eine lange Frequenzsequenz generiert und diese in regelmäßigen Abständen wiederholt, wobei jeder Frequenzpunkt nur einmal pro Zyklus auftritt. Die resultierende Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung ist ebenfalls gleichmäßig, ähnlich wie bei einem Dreiecksdither. Diese Methode findet in anderen Bereichen gängige Anwendung. Die spektrale Dämpfung beurteilt die Qualität eines gejitterten Taktsignals, indem sie beobachtet, wie stark die Energie an jedem Frequenzpunkt im schmalbandigen Spektrum im Vergleich zur Energie eines Einzelton-Taktsignals reduziert ist. Die folgenden Punkte helfen, die Energie des gespreizten Spektrums zu verstehen: 1. Die Umwandlung eines Einzelton-Taktsignals in ein gejittertes Taktsignal ändert die Taktenergie nicht; sie verteilt die Energie des Einzelton-Taktsignals nach dem Dithering lediglich über ein breiteres Frequenzband. 2. Das Spektrum eines periodisch jitternden Taktgebers besteht aus Harmonischen, die im Abstand der Jitterfrequenz (Fd) auftreten. Die folgende Formel verteilt die Leistung eines einzelnen Tons gleichmäßig über das gesamte Frequenzband der Jitterharmonischen: VRMS (dB) = 20 log[√((F0*a)/Fd*Vu²)] = 10 log[(F0*a)/Fd] + 20 log[Vu], wobei F0 die Frequenz vor dem Jitter, a der Jitterkoeffizient relativ zur Frequenz ohne Jitter und Vu die Effektivspannung jedes Spektrums innerhalb des Jitter-Taktbandes ist. Die Dämpfung der spektralen Energie im schmalen Band ergibt sich somit zu: Spektrale Dämpfung = 10 log[(F0*a)/Fd]. Die obige Gleichung zeigt, dass die spektrale Energie umso geringer ist, je mehr spektrale Harmonische innerhalb der zulässigen Jitter-Taktbandbreite (a*F0) erzeugt werden. Als Beispiel betrachten wir die Jitterstruktur des programmierbaren Taktgenerators DS1086. Im DS1086-Schaltkreis gilt: a = 0,04, F0 = 100 MHz und Fd = F0/2048. Die spektrale Dämpfung des DS1086 beträgt somit 19,1 dB. Eine Erhöhung des Jitterfaktors (a) kann denselben Effekt erzielen wie eine Reduzierung der Jitterrate. Diese Gleichung gilt sowohl für Dreieckwellen- als auch für Pseudozufallsjitter, da diese die gleiche Verteilung aufweisen. Jitter begrenzt in praktischen Anwendungen mehrere Faktoren, die die Dämpfung der spektralen Energie einschränken. Erstens führt Jitter zu Frequenzinstabilitäten, da er das Systemtiming verändert und somit den Parameter „a“ begrenzt. Zweitens begrenzt der Schaltkreis, der den jitterbehafteten Takt erzeugt, ebenfalls die Jitterrate. In Systemen mit Phasenregelschleifen (PLLs) oder anderen Regelkreisen (wie dem DS1086) ist die Jitter-Steuerspannung durch die Bandbreite des Regelkreises begrenzt. Andernfalls transformiert sich die Jitter-Kontrollverteilungsfunktion in eine Gauß-Funktion, und die resultierende spektrale Energie konzentriert sich hauptsächlich in der Nähe der nicht jitterten Taktfrequenz. Die dominante Frequenz einer Dreieckwellen-Jitter-Taktstruktur entspricht ihrer Jitterrate, während eine pseudozufällige Jitter-Taktstruktur eine höhere Bandbreite als die Jitter-Template-Rate benötigt, wodurch die Frequenz von einem Minimal- zu einem Maximalwert springen kann. Im Gegensatz dazu steigt die Frequenz in einem Dreieckwellen-Template kontinuierlich an. Es besteht ein annähernder Zusammenhang zwischen Schleifenbandbreite und Jitterrate: Schleifenbandbreite > 3 (Dreieckwellen-Template-Rate) bzw. Schleifenbandbreite > 3 (Pseudozufalls-Template-Rate). Bei fester Schleifenbandbreite kann das Dreieckwellen-Template höhere Jitterfrequenzen unterstützen. Da die Jitterrate schneller sein muss als die Schmalbanderkennung von Störungen (die als Frequenzjitter auftreten), ist die Jitterrate des Dreieckwellen-Templates bei gleicher Erkennungszeit höher als die des Pseudozufalls-Templates. Die Jitter-Erkennungszeit beeinflusst direkt die minimale Jitterrate. Die Bandbreite des Störsignals hängt von der jeweiligen Anwendung ab, und es gibt keine festgelegte untere Grenze für die Jitterfrequenz. Ein weiterer Faktor für die untere Grenze der Jitterfrequenz ist das durch die Jitterrate selbst erzeugte Rauschen außerhalb des Frequenzbandes. Bei linearen Systemen erzeugt der Dreieckwellenjitter keine Oberwellen mit der Jitterrate. Empfängt jedoch eine nichtlineare Schaltung das Taktsignal, entstehen unerwünschte Spektralkomponenten. Niedrige Jitterfrequenzen erzeugen nach der Überlagerung Störsignale innerhalb des effektiven Betriebsfrequenzbandes. Die Spread-Spectrum-Technologie soll herkömmliche EMV-Unterdrückungstechniken wie Filterung, Abschirmung und ein gutes Leiterplattenlayout nicht ersetzen. Diese Technologie kann die Systemleistung grundlegend verbessern, insbesondere bei Geräten, deren Subsysteme oder Peripheriegeräte anfällig für Störungen durch Spitzenenergie sind. In Automobilprodukten oder Heimkinoanlagen kann sie HF-/TV-Störungen deutlich reduzieren. Ein gutes Leiterplattenlayout ist grundlegend für den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems, während Spread-Spectrum-Takte dazu beitragen, dass das System die EMV-Zertifizierung besteht und der Bedarf an Filterung und Abschirmung reduziert wird, wodurch die Systemkosten sinken.