スペクトラム拡散クロックICの仕組みや必要な理由を解説

元から絶つ

～ スペクトラム拡散とは？ ～

—— ICなのにノイズ対策部品なんですか？

電子機器が発する電磁ノイズの量は、国際的な規格でスペクトラムが規制されており、電子機器はこれをクリアするノイズ対策が必要です（図1）。

スペクトラム拡散クロックIC （周波数拡散クロックIC, Spread Spectrum Clock Generator, SSCG）は、デジタル機器のシステムクロックを生成するIC（図2）ですが、クロック源をスペクトラム拡散クロックICにすることでノイズの発生量を少なくできるノイズ対策部品でもあります。一般のノイズ対策は、ノイズの存在を前提とした、言わば対症療法であり、例えばパラレルのデジタルラインでは、各ライン毎、電源では各負荷端でといった具合に、各所で対策を施す必要があります。これに対して、スペクトラム拡散クロックICは原因療法とも言えるもので、ノイズの発生そのものを「源」で抑制するため、一般的なノイズ対策の部品点数を大幅に削減できるメリットがあります。

拡げて下げる

～ スペクトラム拡散とは？ ～

—— ノイズが減る仕組みが分かりません。

図3は、デジタル機器から放射されるノイズの典型的なスペクトラム例です。細く尖ったスペクトルが等間隔に並び高い周波数まで分布していることに注目してください。これらは、システムのクロックとその高調波に起因する成分です。つまり、デジタル機器から放射されるノイズの源は、主にシステムクロックであることが分かります。これに対して周波数拡散クロックICは、尖ったスペクトルの幅を拡げ、代わりにピーク値を抑えます。実際には、クロック周波数にわずかな変動を与えます。周波数領域で線状に集中していたエネルギーを散らすので、スペクトラム拡散（Spread Spectrum）と呼ぶのが一般的ですが、クロックに周波数変調（FM）をかけていると考えることができます。

図4には、拡散によってピーク値が下がる様子を示しました。この例では±1.5％の変調で、およそ20dBもの減衰が得られています。同図は基本波を測定したものですが、高調波も同時に拡散されノイズが大きく減少します。

スペクトラム拡散が必要な理由

—— スペクトラム拡散が必要とされる理由は次の2つです。

データの送受信を正しく行うため

スペクトラ拡散クロックICが必要な最大の理由は、データの送受信を正しく行えるようにすることです。人が暮らしている環境ではさまざまな機器が電波を発しているため、多くの電波が混在している状況となります。

多くの電波が存在する中で無線によりデータの送受信を行おうとしても、他の電波からの妨害を受け正しく行えません。しかし、スペクトラ拡散を使用すればその他の電波による干渉をやわらげ、データの送受信を行いやすくなります。

周辺機器への影響を緩和させるため

周辺機器への影響を緩和させることも、スペクトラ拡散が必要である理由のひとつです。データ送受信を行う際に周囲の電波から妨害を受けるということは、自身が発する電波も周囲の機器が行うデータ送受信に悪影響を及ぼしている可能性があると考えられます。

スペクトラ拡散で周波数を広げられれば、周波数の広さと反比例し信号レベルが低くなり、周辺機器への影響も緩和されるのです。スペクトラ拡散クロックICの必要性とは、自身のデータ送受信をスムーズにするためだけでなく、周辺機器への影響を軽減させることにもあります。

フラットトップ

～ 方式と選択 ～

—— 周波数拡散クロックICに換えるだけで効くんですか？

クロックのスペクトラムを拡散すれば、ピーク値は確実に下がります。とはいえ、その下がり具合は拡散の方法、具体的には周波数変調の変調度（周波数変移）、変調波形（時間に対する周波数変化の仕方）、変調周波数などに大きく依存します。図5は、変調度によるノイズ発生量を比較したものです。当然ながら、変調度が深い（変移量が大きい）ほど大きな効果が得られています。変調波形と変調周波数に関しては、様々なものが考案されています。

図6は、変調波形が正確な三角になるようにしたうえで、時間毎に周波数を位相連続で変化させる製品のスペクトラム例です。頂上部がフラットになる、良好なスペクトラムが得られています。

一方、周波数拡散クロックICを使用する回路やシステム側には、クロック源としての要求仕様がありますので、それぞれのアプリケーションに適した品種の選択や機能設定が必要です。具体的選択は、入力（基準クロック）と出力（逓倍率）の周波数が基本になります。複数の出力を必要とするシステムに対しては、多出力の周波数拡散クロックICもあります。設定に関しては、変調オフの時のクロック周波数に対して、上下どちら側に拡散させるかというのもそのひとつです。通常は、オフ時の周波数を中心に拡散するセンタースプレッドにしますが、クロックをデバイスの最高周波数で使っている場合などは、上側に拡散すると周波数限度を超えてしまうことになるため、オフ時の周波数から下方向だけに拡散するダウンスプレッドにします（図7）。

揺らぐ想い

～ 活用法と注意点 ～

—— ジッタが増えそうで心配です。

周波数拡散クロックICは、クロックに周波数変調を施します。これを時間軸で考えると、クロックにジッタを付加することにほかなりません。そして、デジタルシステムにジッタが加わることは、一般に好ましいことではありません。しかし、周波数拡散クロックICによる変調は、クロック周期に対してゆっくりであるうえ、周波数の変化は連続的です。結果的に付加されるのは周期ジッタ（Period jitter）が主であって、多くのデジタル回路で誤動作の原因となりやすい、サイクル間ジッタ（Cycle to Cycle Jitter）の量はごくわずかです（図8）。

したがって、通常のアプリケーションに対してジッタは実際上問題になりませんが、ジッタに敏感な回路には適用できない、もしくは対策が必要な場合もあります。例えば、A/D変換回路に対しては、FIFO（First-inn First -Out）のバッファを介することでジッタを回避する必要があります。機器間を非同期でデジタル転送をする場合なども同様です。図9は、デバイス間に距離があり、かつ受信側にオーディオのD/Aコンバータが置かれた例です。受信側でバッファすることで、バスラインからのノイズ輻射を抑えながら、ジッタによるノイズを回避し高音質を維持します。バスに使用するフレキシブル基板やケーブルなどは、ノイズの放射源になりやすいうえ、シールドなどの対策が施しにくく、ノイズフィルタでは波形が鈍ってしまうといったことがありますが、周波数拡散クロックICは原理的にそうした問題が発生しないこともメリットです。