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展頻時脈產生器 Spread Spectrum Clock Generator ( SSCG )
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展頻時脈產生器

Spread Spectrum Clock Generator ( SSCG )

電機系 高少谷 助理教授

1.前言

  展頻時脈的技術是頻率調變( FM )的一種應用,相反地,頻率調變通常會伴隨產生展頻的效果。展頻時脈最基本的想法,是稍微地調變時脈訊號的頻率,造成時脈訊號的能量,分散到一個可以控制的小範圍內。在經過展頻調變之後,頻譜上每一個諧波的峰值能量將會消失,如圖一所示:在越高次諧波項,其所產生的展頻量會越大,因此,其峰值能量的衰減會越明顯。會受到EMI限制的是在特定頻率的峰值發射量( peak emission ),而不是在整個頻譜的平均峰值發射量,因此,利用展頻時脈可以提供一個比較低的 EMI 訊號。

  根據調變訊號的頻率範圍,展頻的模式主要可以區分為三種:中心展頻( center-spread ),向下展頻( down-spread ),及向上展頻( up-spread )。中心展頻的調變,如圖二 ( a ) 所示:其調變頻率是以 fnom 為中心,然後在 ( 1+ d/2 ) fnom ( 1- d/2 ) fnom 之間變化。其中, d 是指相對於 fnom 的展頻百分比,而 fm 是指調變的頻率。這種調變模式提供了一個跟非展頻模式時相同的平均頻率。例如:一個 2.4GHz 的時脈有 1%的中心展頻調變,這代表其頻率範圍會在 2.388GHz  2.412GHz 之間做變化。

  向上展頻的調變,如圖二 ( b ) 所示:其平均頻率向上位移了整個展頻百分比的 1 / 2。但是,在某些系統並無法忍受時脈或是訊號的頻率比 fnom 還要高,而通常操作頻率超過 fnom 叫做 over-clocking,所以,向上展頻的調變的模式很少被使用。而向下展頻的調變,如圖二 ( c ) 所示:其時脈的頻率是在 fnom ( 1- d )fnom 之間做變化,例如:一個 2.4GHz 的時脈有 1% 的向下展頻調變,這代表其頻率範圍會在 2.376GHz 2.4GHz 之間變化,這也可以將其看成是”2.388GHz 的時脈有 1% 的中心展頻調變。向下展頻調變模式的優點,是可以確保最大的時脈操作頻率不會超過 fnom,但是其平均的時脈速度和系統的表現基準則會因此降低。

  圖三分別比較了沒有展頻功能( 圖三 ( a ) )、利用弦波調變展頻( 圖三 ( b ) )、及利用三角波調變展頻( 圖三 ( c ) )在頻譜上顯示的情形,可以看出在沒有利用展頻時,各個特定頻率的峰值能量最高,在弦波調變展頻次之,而利用三角波調變展頻則最低。

圖一 ( a ) 沒有調變訊號時的頻譜示意圖

圖一 ( b ) 有調變訊號時的頻譜示意圖

 

圖二 調變模式 ( a ) 中心展頻

圖二 調變模式( b ) 向上展頻

圖二 調變模式( c ) 向下展頻

 

圖三 頻譜示意圖( a ) 無調變訊號

圖三 頻譜示意圖( b ) 經弦波調變訊號

圖三 頻譜示意圖( c ) 經三角波調變訊號

 

2.實作

  圖四為所提出的展頻時脈產生器方塊圖,其中包括 50MHz 的參考頻率、相位頻率偵測器( Phase-Frequency Detector )、電荷幫浦( Charge-Pump,CP )、迴路濾波器( Loop-Filter,LP )、電壓控制振盪器( Voltage-Controlled Oscillator,VCO )、除法器、三角波調變波形產生器( Modulation Profile )以及 Delta-Sigma Modulator ( DSM )。其中,除法器的部分利用改進的 Prescaler 架構來實現,包括除以( N- 2/8 )/( N+ 3/8 )的電路、可程式化向下計數器( Programmable Down Counter, ÷P、÷S ) 及 R-S 栓鎖器( R-S Latch )。在這個 SSCG 架構中主要是利用除以( N- 2/8 )/( N+ 3/8 )的電路來降低除數每一次所必須跳躍的步階大小( step-size ),進而增加頻率控制的準確度和達到降低 jitter 的目的。  

圖四 展頻時脈產生器方塊圖 

 

2.1 Non-SSCG和SSCG模擬

  在表中列出了頻率合成器的設計參數值,其中 C1C2C3R2R3 對應到圖五 3 階迴路濾波器的電阻、電容值。圖六所示:為沒有展頻以及展頻時的頻率響應模擬結果,圖六 ( a ) 為沒有展頻時的頻率響應,而圖六 ( b ) 則為三角波調變時展頻的頻率響應,將其放大可以看到圖六 ( c ) 中的三角波波形,其頻率範圍大約是 5.97GHz ~ 6GHz,符合規格所定的 5000ppm 頻率偏移量。再將電路作頻譜分析,得到如圖七所示:圖七 ( a ) 是沒有展頻時的頻譜分析結果,圖七 ( b )是展頻時的頻譜分析結果,而圖七 ( c ) 圖七 ( d ) 是在 6GHz 附近放大,當中很明顯圖七 ( c )在頻譜分析比較中只有 6GHz,而圖七 ( d ) 的頻率範圍是 5.97GHz ~ 6GHz,可以清楚的看出時脈經過展頻和沒有展頻後的差異。

Table: Parameter of the Synthesizer

Parameters

Value

Ref. frequency

50MHz

Loop Bandwidth

1.45MHz

Kvco

0.9GHz/V

Ip

200μA

C1

45pF

C2

1.4nF

C3

45pF

R2

500Ω

R3

500Ω

Phase Margin

51.7o

表二 頻率合成器參數值

圖五 3 階迴路濾波器 ( a )

圖六 ( a ) 沒有展頻時的頻率響應

圖六 ( b ) 三角波調變時展頻的頻率響應

圖六 ( c ) 將( b )放大,頻率範圍為 5.97GHz ~ 6GHz

 

圖七 ( a )  沒有展頻時的頻譜分析圖 圖七 ( b ) 展頻時的頻譜分析圖

圖七 ( c ) 將( a )在6GHz附近放大

圖七 ( d ) 將( b )在 6GHz 附近放大

 

3. 結論

  SSCG 的架構是利用一個頻率為 30~33KHz 的三角波經過 Delta-Sigma Modulator 後,再去調變頻率合成器的除法器,讓它產生一個 5.97GHz ~ 6GHz 的三角波展頻時脈;而這展頻時脈的作用,最主要是為了減少電磁干擾( EMI )的效應。

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