在高速数字电子系统中，时钟信号是系统运行的重要基础，同时也是产生电磁干扰（EMI）的主要来源之一。随着电子设备向：更高速率、更高集成度、更小尺寸的方向发展，时钟频率不断提高，传统时钟信号产生的电磁辐射问题越来越受到关注。工程师通常会采用滤波器、磁珠、屏蔽罩、优化接地、PCB布局优化等方式降低EMI。除此之外，扩频时钟技术（Spread Spectrum Clock，SSC）也是一种有效降低时钟电磁干扰的方法。

什么是扩频晶振？

扩频晶振（Spread Spectrum Clock Oscillator）是一种通过调制输出频率，使时钟能量分布到更宽频率范围的晶体振荡器。

普通晶振输出固定频率、能量集中在单一频点附近。例如：100MHz普通时钟信号其能量主要集中在100MHz附近。由于能量集中，容易形成较高的：EMI峰值、电磁辐射。

扩频晶振通过周期性改变输出频率：例如99.5MHz～100MHz之间变化。使原本集中在100MHz的能量扩散到更宽频谱范围。

虽然总能量基本保持不变，但是单位频率上的能量降低，因此EMI峰值下降。

扩频方式有哪些？

Down Spread表示频率只向标称频率以下扩展。

例如100MHz晶振扩展比例0.5%，输出频率范围99.5MHz ～ 100MHz。特点为不超过标称频率，适用于对最高工作频率敏感的系统。

Center Spread表示频率围绕中心频率上下变化。

例如100MHz晶振扩展比例0.5%，输出范围99.5MHz ～ 100.5MHz。特点为EMI降低效果更明显，频谱分布更加均衡。

调制过程可以在标称频率的一侧(向下扩展 Down Spread)，或 50% 向上和 50% 下降(中心扩展 Center Spread)。以100 MHz SSC为例，其中心频率在99.500 MHz和100.500 MHz之间调制，中心调制百分比为0.5%；如果向下扩展为0.5%， 频率范围在99.500 MHz 和 100.0 MHz 之间。向下扩展 0.5% 等同于中心扩展0.25%。 99.500 ~ 100.0MHz (向下扩展0.5%) 等于 中心频率99.750MHz （中心扩展0.25%）。

100MHz 中心调制 0.5% (C0.5） =  99.500MHz~100.500MHz之间调制

100MHz 向下调制 0.5% (D0.5)   =   99.500MHz~100.000MHz之间调制   =   中心频率99.750中心扩展0.25% (C0.25)

图三说明了D3.0=C1.5的关系：

Figure 3

图四展示了7050尺寸在100MHz的不同扩散百分比测试图：

Figure 4

晶振EMI设计中的其他方法

除了扩频技术，工程设计中还可以通过以下方式降低EMI：

- 晶振靠近MCU放置；

- 缩短时钟走线；

- 避免高速信号靠近晶振；

- 优化电源滤波；

- 增加合理接地；

- 控制输出驱动强度；

- 使用屏蔽结构。

扩频技术通常需要与PCB EMC设计结合使用，才能获得最佳效果。

KOAN晶振

KOAN晶振长期专注于石英晶体谐振器和晶体振荡器技术研发，产品覆盖：无源晶振、有源晶振、TCXO温补晶振、高稳定晶体振荡器。KOAN持续关注高速电子设备中的时钟需求，为通信、工业控制、汽车电子及消费电子领域提供可靠的时钟解决方案。