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 f_nom 為中心，然後在 ( 1+ d/2 ) f_nom 和 ( 1- d/2 ) f_nom 之間變化。其中， d 是指相對於 f_nom 的展頻百分比，而 f_m 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 和 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 f_nom 還要高，而通常操作頻率超過 f_nom 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 f_nom 和 ( 1- d )f_nom 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 和 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 f_nom，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。

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。　　

2.1 Non-SSCG和SSCG模擬

　　在表二中列出了頻率合成器的設計參數值，其中 C1、C2、C3、R2、R3 對應到圖五中 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 ) 和圖七 ( 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。

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。