利用開關電容濾波器實現抗混疊濾波

發布時間：2010-7-25 23:52 發布者：conniede

數字信號有兩種主要形式：數字數據和數字是鐘(CLK)。數字信號是當前數字電子產品中的主要信號形式，通常為單端信號，CMOS或TTL電平。我們觀察到的數字信號一般是一串寬度不同的脈沖，時鐘信號通常是具有相同脈寬的矩形脈沖。數字信號和CLK信號的頻譜成份包含有高次諧波，信號本身及其諧波共同在電子系統內部和系統之間產生了電磁干擾(EMI)。降低EMI的一條簡單、有效途徑是使CLK頻率產生抖動[1, 2]。本應用筆記介紹了擴頻CLK (MAX9492),并提供了一種利用時鐘參數指標快速計算EMI抑制的方法。擴頻CLK: 定義和測量為了考察抖動時鐘的擴展頻譜，我們定義了以下擴頻CLK參數：擴展率、擴頻類型、調制率和調制波形。擴展率是頻率抖動(或擴展)范圍與原CLK頻率(fC)的比值。擴頻類型指向下擴頻、中心擴頻或向上擴頻。假設擴頻范圍為Δf，則擴展率定義為：向下擴頻: = -Δf /fC x 100%

中心擴頻: = ±1/2Δf/fC x 100%

向上擴頻: = Δf/fC x 100%

調制率，fm，用于確定CLK頻率擴展周期率，在該周期內CLK頻率變化Δf 并返回到初始頻率。調制波形代表CLK頻率隨時間的變化曲線，通常為鋸齒波。圖1給出了調制波形及其與和fm的關系式。

圖1. 擴頻CLK頻譜為了得到平坦的CLK頻譜，一種稱為“Hershey Kiss™,”的特殊曲線被用作調制波形(圖2)。

圖2. “Hershey Kiss”調制波形利用圖1或圖2所示波形擴展后的時鐘在擴頻范圍內具有平坦的功率譜密度。圖3所示曲線是MAX9492經過擴頻和未經擴頻情況下的時鐘頻譜。擴頻情況下，擴展率為-2.5%―向下擴頻；調制率fm為30kHz，CLK標稱頻率fC為133.33MHz。該頻譜曲線是采用Rohde & Schwarz頻譜分析儀測試得到的，其中分辨率帶寬為100kHz，掃描頻率為10Hz。從測試結果可以看出：頻譜峰值降低了大約13dB，與fC諧波的衰減量相同。這說明擴頻后的CLK能夠在頻譜峰值處提供13dB的EMI抑制。

圖3. MAX9492擴頻和未擴頻情況下的頻譜 EMI抑制估算設計人員經常需要了解EMI抑制與擴頻CLK參數之間的關系，為了得到這個關系式，我們需要首先計算擴頻CLK的頻譜。根據上述定義，信號頻譜是與頻率相關的功率密度。為了簡化分析，我們只考慮CLK信號的基本諧波。對于未經擴頻的CLK，可以表示為：

對于擴頻CLK可以表示為：

式中，是調制波形。未經擴頻的CLK頻譜是位于fC的一條譜線，幅度為：

由于該頻譜只是一條譜線，其幅度與頻譜分析儀的分辨率帶寬B無關。但是，擴頻CLK的頻譜幅度取決于分辨率帶寬B。由于擴頻CLK的功率在Δf頻帶內分布相當均勻，利用分辨率帶寬為B的頻譜分析儀測試得到的功率近似為：

這樣，我們可以得到EMI抑制率S為：
EMI抑制率(dB)

(1) 結合上述擴頻CLK參數：擴展率、CLK頻率fC和調制類型，我們可以用下列方法計算S：

向下或向上擴頻: (2a)
中心擴頻: (2b)

需要注意的是，當fSW << fm << fC時， EMI抑制率S與調制率fm無關，其中，fSW是頻譜分析儀的掃描速率。例如，MAX9492的和fC分別為-2.5%和133.3MHz，代入公式(2a)，可以計算出EMI抑制率：

按照圖3所示測試結果，EMI峰值降低12.91dB，擴展頻譜平均EMI抑制為15.07dB。通常，在估算峰值之間的EMI抑制時，由于擴頻頻譜的波動，由式2計算出的結果可能會高出1dB到2dB。對于峰值和平均EMI抑制，計算值非常接近測量值。利用EMI抑制的簡單計算公式，設計人員可以根據所希望的EMI抑制率、CLK頻率以及電磁兼容性所要求的分辨率帶寬很快計算出擴展率。

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