Bild 1: Störung eines Fernsehers durch ein Mobiltelefon.

Bild 1: Störung eines Fernsehers durch ein Mobiltelefon.Cypress Semiconductor

Im HDTV lief gerade ein Fußballspiel und ausgerechnet, als der Ball auf die Torlinie zuflog, klingelt das Mobiltelefon. Im Fernseher fiel gleichzeitig das Bild aus. Überrascht wurde das Gespräch abgebrochen, und das Bild war wieder da. Ein klassischer Fall einer elektromagnetischen Störung (Bild 1).

Jedes elektrische Signal erzeugt eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern. Ein Signal, das in der Zeitebene begrenzt ist, ist in der Frequenzebene unbegrenzt, und umgekehrt. Alle elektrischen Systeme arbeiten mit Signalen zur Übertragung von Informationen und erzeugen ein bestimmtes Muster. Diese Muster werden durch das beim Sender und Empfänger verwendete Kommunikationsprotokoll bestimmt. Die Entfernungen dabei können so klein wie zwischen zwei Bauteilen auf einer Leiterplatte oder so groß wie die von der Erde zu einem Satelliten sein. Signale mit einem festen Muster in der Zeitebene erzeugen Energie, die sich auf einen großen Frequenzbereich verteilt.

Bild 2: Energieverteilung im Taktsignal.

Bild 2: Energieverteilung im Taktsignal.Cypress Semiconductor

Bild 2 zeigt als Beispiel ein Taktsignal mit 125 MHz in der Zeit- und in der Frequenzebene. In der Zeitebene ist dieses Signal periodisch, und in der Frequenzebene belegt es einen großen Bereich. Marker in der Abbildung bei 125 MHz, 375 MHz, 625 MHz und 875 MHz zeigen vier Punkte in der Frequenzebene, bei denen der Energiegehalt hoch ist. Die Energiespitze mit 10,55 dB findet sich auf der Grundfrequenz von 125 MHz. Auf 375 MHz, 625 MHz und 875 MHz liegen die ungeraden Harmonischen des Taktsignals von 125 MHz. Diese Energie trägt wesentlich zur Störstrahlung bei, die zu Beeinträchtigungen bei anderen Systemen in der unmittelbaren Nähe führen kann. Ein System, dessen Energiespitze sich auf einer bestimmten Betriebsfrequenz befindet, ist ein Beispiel für eine elektromagnetische Strahlungsquelle.

Im Beispiel mit dem Mobiltelefon und dem Fernseher ist das Mobiltelefon die Strahlungsquelle. Als ich mir das Fußballspiel auf dem LCD-HDTV-Fernseher angesehen habe, war die Settop-Box auf den Sportkanal im Bereich von 54 bis 890 MHz abgestimmt. Im Bereitschaftszustand – das heißt, wenn kein Gespräch oder eine SMS übertragen wird – sendet das Mobiltelefon keine Daten und erzeugt keine Strahlung. Wenn das Mobiltelefon jedoch einen Anruf erhält, nimmt es die Kommunikation mit der nächstgelegenen Basisstation auf. Während der Übertragung arbeitet das Mobiltelefon mit höherer Leistung und sendet sein Signal im GSM-Band (900-MHz-Bereich). Dabei entstehen auch Aussendungen im Bereich um das Frequenzband, in dem die Settop-Box arbeitet (bei 890 MHz). Durch diese Strahlung wird die Settop-Box daran gehindert, das empfangene Fernsehsignal zu dekodieren. Dies wird bei Ihnen zu Hause nicht passieren, weil ein ausreichender Abstand zwischen den Betriebsfrequenzen besteht und sowohl beim Fernseher als auch beim Mobiltelefon Schutzmaßnahmen gegen störende Beeinflussungen getroffen worden sind. Die Entwickler von Mobiltelefonen und Fernsehern werden jedoch vor weiteren Herausforderungen stehen, wenn die 4G-Übertragung im 800-MHz-Bereich eingeführt wird.

Auf einen Blick

Reichen gespreizte Taktsignale aus, um EMV-Probleme in den Griff zu bekommen?

Falls es sich bei der Anwendung um ein komplexes System handelt, bei dem mehrere Daten-, Takt- und Adressbusse mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten arbeiten, sollte es unterschiedliche Spannungsversorgungen einsetzen und verschiedene Kommunikationsprotokolle unterstützen, da der Einsatz eines gespreizten Takts allein nicht ausreichen wird, um alle EMV-Probleme zu lösen. Es muss ebenso sorgfältig auf das Design der Leiterplatte sowie Übersprechen und Erdschleifen geachtet werden, da sich hier zahlreiche Störquellen ergeben können. Es ist jedoch immer von Vorteil, über Möglichkeiten zur Spreizung zu verfügen.

Während diese Art der Störungen kaum eine Bedrohung darstellt und auch keinen Schaden anrichtet, solange sie bei Geräten der Unterhaltungselektronik auftreten, reicht es, sich vorzustellen, was passiert, wenn ein WiFi-Signal eine Steuerung in einer Chemiefabrik stört, die mit gefährlichen Stoffen arbeitet. Es hat eine Reihe bekannter Unfälle durch elektromagnetische Störungen gegeben, die dazu geführt haben, dass die führenden Länder der Welt Bestimmungen zur Konstruktion elektronischer Geräte unter dem Gesichtspunkt des Störschutzes erlassen haben.

Neben der Störstrahlung sind es leitergebundene Störungen, die von den Leiterbahnen auf der Leiterplatte, dem Netzteil oder durch kapazitive oder induktive Kopplung übertragen werden und den Betrieb oder die Funktion anderer Geräte beeinträchtigen können.

Viele internationale Regulierungsorgane (IEC, CISPR und EN) haben Höchstwerte für die maximale Strahlung festgelegt, die ein System abgeben darf, sowie Mindeststörfeldstärken definiert, die ein System in der Funktion nicht beeinträchtigen dürfen. Internationale Standards für die elektromagnetische Verträglichkeit sind auf der Grundlage der Anwendungen und Endgeräte definiert worden.

Schnelle Geräte und Systeme arbeiten mit hohen Taktfrequenzen. Einen wesentlichen Beitrag zur Störstrahlung liefern hochfrequente Taktsignale, die in der Zeitebene periodisch sind. Wie in Bild 3 gezeigt, enthält ein 125-MHz-Taktsignal eine Energiespitze bei der Grundfrequenz und starke ungradzahlige Harmonische.

Bild 3: Peak Energy im Taktsignal.

Bild 3: Peak Energy im Taktsignal.Cypress Semiconductor

Bild 3 zeigt einen Spektrumanalysator-Ausdruck um die Mittenfrequenz des Taktsignals von 125 MHz. Der Spitzenwert der Energie liegt auf der Grundfrequenz mit -5,29 dBm. Falls die Energie auf der Mittenfrequenz reduziert wird, nimmt auch die Strahlung durch das Taktsignal ab. In einem System, bei dem das Taktsignal an den meisten Bauteilen auf der Leiterplatte anliegt, ist die Verbesserung bei der Störstrahlung erheblich. Bei der Spread-Spectrum-Technologie wird dasselbe Konzept eingesetzt, um die Störstrahlung zu verringern.

Spread-Spectrum-Technologie

Bild 4: 125 MHz mit einer Spreizung von ±2 % um die Mittenfrequenz.

Bild 4: 125 MHz mit einer Spreizung von ±2 % um die Mittenfrequenz.Cypress Semiconductor

Bei der Spread-Spectrum-Technologie wird das hochfrequente Taktsignal mit einer niedrigeren Frequenz moduliert. Die Frequenz des aufmodulierten Signals beträgt normalerweise 30 bis 120 kHz. Durch die Modulation verteilt sich die in der Grundfrequenz enthaltene Energie über einen größeren Frequenzbereich und die Spitze flacht ab, wie man in Bild 4 sieht. Ohne diese Spread-Spectrum-Technik lag die Spitze des 125-MHz-Taktsignals bei -5,29 dB. Mit einer Spreizung um ±2 % verringert sich der Spitzenwert auf -13,37 dB. Die Lexmark-Modulationsprofile bei 31,725 kHz zeigt Bild 5.

Bild 5: Lexmark-Profil einer Spreizung um die Mittenfrequenz und nach unten bei einer Modulationsfrequenz von 31,7 kHz.

Bild 5: Lexmark-Profil einer Spreizung um die Mittenfrequenz und nach unten bei einer Modulationsfrequenz von 31,7 kHz.Cypress Semiconductor

Das Modulationsprofil, die Art der Spreizung und der Prozentsatz der Spreizung sind bei der Spread-Spectrum-Technologie wichtige Parameter:

  • Modulationsprofil. Einfach ausgedrückt stellt die Wellenform des modulierenden Signals das Modulationsprofil dar. Es gibt zwei bekannte Profile: linear und Lexmark. Das Lexmark-Profil liefert im Vergleich zum linearen Profil eine bessere Absenkung der Spitzenwerte. Die Wellenformen in Bild 5 sind Beispiele für das Lexmark-Profil. Das lineare Profil ähnelt in der Wellenform einem Dreieck.
  • Prozentsatz der Spreizung. Die Spitze-Spitze-Amplitude des modulierenden Signals bestimmt den Prozentsatz der Spreizung. Die Wellenformen in Bild 5 bewirken Spreizungen von ±2,5 % und -5 %. Der Prozentsatz der Spreizung entspricht der Abweichung von der Nennfrequenz des Signals.
  • Art der Spreizung. Wenn sich die Nennfrequenz des Signals in der Mitte des Modulationsprofils befindet, handelt es sich um eine Spreizung um die Mittenfrequenz. Wenn sich die Signalfrequenz am oberen Ende des Modulationsprofils befindet, handelt es sich um eine Abwärtsspreizung.

Fallstudie

Bild 6: Anwendung des CY25100.

Bild 6: Anwendung des CY25100.Cypress Semiconductor

Die Wirkung des Einsatzes der Spread-Spectrum-Technologie auf die Reduzierung der Spitzen hängt vom Prozentsatz der Spreizung und dem gewählten Profil ab. Das folgende Beispiel zeigt die Reduzierung der Störstrahlung durch eine Erhöhung des Prozentsatzes der Spreizung.

In einem IT-Gerät wird eine Taktgenerator CY25100 eingesetzt, um FPGA- und Ethernet-Chips zu takten (Bild 6). Der Referenztakt hat 25 MHz und ist nicht gespreizt. Das 125-MHz-Signal wird mit einer On-Chip-PLL erzeugt und kann als Spread-Spectrum-Takt ausgegeben werden.

Bild 7: Gemessener Spitzenwert mit verschiedenen Prozentsätzen.

Bild 7: Gemessener Spitzenwert mit verschiedenen Prozentsätzen.Cypress Semiconductor

Ursprünglich benutzte der Kunde den 125-MHz-Taktausgang ohne Spreizung. Entsprechend den Anforderungen der Europäischen Union muss dieses Gerät die Grenzwerte nach EN 55022 einhalten. Bei Prüfungen an einem Prototyp des Geräts wurde eine Strahlung mit 44 dB bei Vielfachen von 125 MHz festgestellt, wodurch der Grenzwert nach EN 55022 von 40 dB überschritten wurde. Nach einigen Versuchen mit verschiedenen Prozentsätzen für eine Spreizung stellte sich heraus, dass eine Spreizung um ±2 % um die Mittenfrequenz mit 31,7 kHz zu einer Reduzierung der Gesamtstrahlung des Geräts um 6 dB führte, wodurch das System die Vorgaben nach EN 55022 mit einer Sicherheitsmarge von 2 dB einhalten konnte.

Tabelle 1: Gemessener Spitzenwert mit verschiedenen Prozentsätzen.

Tabelle 1: Gemessener Spitzenwert mit verschiedenen Prozentsätzen.Cypress Semiconductor

Um die Auswirkungen der Taktspreizung auf die elektromagnetischen Störungen zu überprüfen, wurde die Spitzenenergie des 125 MHz-Takts mit einer Versuchskarte (das heißt nur mit dem CY25100 auf der Leiterplatte) in einem sauberen Aufbau mit möglichst geringen Störungen gemessen. Ohne Spreizung wurde beim Taktsignal ein Spitzenwert von -5,29 dB gemessen. Mit einer Spreizung von ±2 % ergab sich bei dieser Spitze eine Absenkung um 8 dB. Tabelle 1 und Bild 7 zeigen die Reduzierung des Spitzenwerts in Abhängigkeit vom Prozentsatz der Spreizung.

Beim Einsatz eines Taktsignals mit gespreiztem Spektrum tritt eine erhebliche Verbesserung der Störstrahlung ein. Außerdem lassen sich diese Verbesserungen ohne zeitaufwändige oder kostspielige Überarbeitungen des Prototyps oder Änderungen an der Leiterplatte erreichen.

Beachtenswertes beim Einsatz eines gespreizten Taktsignals

Jitter: Bei der Spread-Spectrum-Technik wird das hochfrequente Taktsignal mit einer niedrigeren Frequenz moduliert, wodurch sich die Flanke des Taktsignals mit der Periode des modulierenden Signals verschiebt. Dadurch entsteht ein höherer Jitter. Messen Sie den Jitter des gespreizten Taktsignals und überprüfen Sie, ob der getaktete Baustein mit dem zusätzlichen Jitter noch funktionieren kann.

PPM-Fehler: Der Fehlerparameter PPM (Parts per Million) wird dazu eingesetzt, die Genauigkeit des Taktsignals anzugeben. Je nach Prozentsatz der Spreizung weicht die Taktfrequenz mehr oder weniger von der Nennfrequenz ab und der PPM-Fehler nimmt entsprechend zu. Für Anwendungen, bei denen sehr strenge Vorgaben für den PPM-Fehler gelten, müssen Sie prüfen, ob der PPM-Fehler beim Einsatz der Spreizung noch innerhalb der zulässigen Toleranzen liegt.

Spread-Aware-PLL: Betrachten wir den Fall einer Anwendung, in der ein einziger Takt mehrere Bausteine ansteuert und daher verzögerungsfreie Puffer eingesetzt werden, um die zulässige Belastung des Taktausgangs einzuhalten. Falls das ursprüngliche Taktsignal gespreizt ist, müssen Sie überprüfen, dass die verzögerungsfreien Puffer die Spreizung unterstützen, indem Sie sie an die angesteuerten Bausteine weiterreichen, damit der Vorteil einer Verringerung der Störstrahlung im vollen Umfang ausgenutzt werden kann. Falls die verzögerungsfreien Puffer die Spreizung nicht unterstützen, wirkt sich die Spreizung am Eingang auf den Ausgang des Puffers als Verschiebung aus. Diese Erscheinung ist als Tracking Skew bekannt. Sie kann Probleme bereiten, wenn für die Anwendung strenge Anforderungen zu den Verzerrungen gelten (zum Beispiel bei einer Anwendung zur Synchronisierung).

Auswahl der Spreizungsparameter für eine bestimmte Anwendung: Mit einer Erhöhung des Prozentsatzes nimmt die Energie in den Spitzen ab, wobei die Rate dieser Reduzierung jedoch nicht konstant ist. Aus Tabelle 1 kann man ersehen, dass die Reduzierung bei einem Prozentsatz von ±2 % in den Spitzen 8,08 dB ((-13,37)-(-5,29) dB) beträgt. Wenn der Prozentsatz der Spreizung auf ±2,5 % erhöht wird, beträgt die Reduzierung in den Spitzen 8,82 dB ((-14,11)-(-5,29) dB). Daher bewirkt eine Erhöhung der Spreizung um ±0,5 % eine Verringerung der Spitzenwerte um weniger als 1 dB.

Art der Spreizung (abwärts/mittig): Diese hängt von der maximalen Betriebsfrequenz der getakteten Bausteine ab. Falls der getaktete Baustein die ±-Toleranz um die Nennfrequenz unterstützt, können Sie mit Abwärts- oder mittiger Spreizung arbeiten. Bei der Spreizung um die Mittenfrequenz variiert die Frequenz in beiden Richtungen, zum Beispiel bei 25 MHz und ±1 % von 24,75 MHz bis 25,25 MHz. Eine Abwärtsspreizung verändert die Nennfrequenz nur nach unten und sorgt dafür, dass die maximale Frequenz niemals über der Nennfrequenz liegt, zum Beispiel bei 25 MHz und -1 % im Bereich von 24,75 MHz bis 25 MHz. In den Fällen, in denen die Nennfrequenz die maximal zulässige Frequenz ist, ist die Abwärtsspreizung die richtige Wahl.

Modulationsfrequenz: Viele Taktgeneratoren unterstützen einen weiten Bereich von Modulationsfrequenzen von etwa 30 bis 120 kHz. Der am häufigsten genutzte Bereich ist 30 bis 60 kHz. Die Modulationsfrequenz kann innerhalb dieses Bereichs beliebig gewählt werden, solange die Frequenz oder ihre Oberwellen nicht zu Störungen bei anderen Systemen oder Komponenten führen.

Modulationsprofil: Das Lexmark-Profil liefert im Vergleich zum linearen Profil eine bessere Absenkung der Spitzenwerte. Falls Ihr Taktgenerator das Lexmark-Profil unterstützt, sollten Sie es anwenden.

Die meisten Standardprotokolle (zum Beispiel die PCI-Versionen) enthalten Empfehlungen zu den unterstützten Parametern für die Spread-Spectrum-Technologie, bei denen keine ungünstigen Auswirkungen auf die Bitfehlerrate der Kommunikation auftreten.