上一篇為大家講述了LVCMOS和MEMS系列電磁干擾和電磁兼容性處理方案，今天的主題依舊是晶振的電磁性，不同的是，內容會是MEMS可編程晶振，與普通石英振蕩器的電磁敏感性。對電磁有所了解的都知道，EMI設計會影響高端振蕩器的相位噪聲，相位抖動和時鐘頻率等，美國和歐洲的晶體制造商幾十年來，不斷的探討和研究如何提升振蕩器抗電磁干擾的性能，并將其列入振蕩器的設計方案中，直到現在，絕大多數的Oscillator和硅MEMS晶振，都已實現抗電磁干擾性能。

電源，電源線，閃電，計算機設備和晶振都是潛在的電磁干擾源（EMI），可能會影響電子元件的性能。EMI可以通過單個系統中的電路從一個組件傳導到另一個組件，或者通過無線電波傳輸。需要通過RF進行通信的設備有意發出可能干擾其他設備的電磁信號，但即使是非設計用于發射電磁信號的設備也可能無意中導致EMI噪聲。FCC法規限制允許某些類別的設備（例如計算設備和微波爐）的排放，但這并不能保證電子元件不會被消費產品的EMI損壞。

在存在外部EMI源的情況下，OSC振蕩器的相位噪聲和相位抖動可能會顯著增加。通過板級屏蔽或濾波可以降低到達振蕩器的EMI，但這種方法并不總是成功的。通過評估各種振蕩器的電磁敏感性（EMS），我們可以確定有助于EMS的因素，并了解正確的振蕩器設計如何最大限度地減少EMI對時鐘性能的不利影響。

測試對EMI的易感性：

由于輻射的EM噪聲會對Oscillator的相位噪聲性能產生不利影響[1][2]，因此測試方法包括對每個被測器件（DUT）進行輻射EMI的固定功率測量，并測量相關偏移頻率下的增量相位噪聲功率。。圖1顯示了26MHz石英振蕩器在未暴露于EMI時以及在載波頻率為80MHz時受到EMI噪聲時的相位噪聲曲線。振蕩器輸出頻率的2MHz偏移處的相位噪聲雜散可以從如下所示的混疊頻率公式得出：

Falias=Femi-N*Fc...................................等式1

Femi=注入EMI噪聲的頻率;Fc=振蕩器標稱時鐘頻率;N是大于1的正整數。

圖1：沒有和沒有emi噪聲注入的26mhz石英振蕩器的相位噪聲

ILSIMMD使用經過認證的測試實驗室，根據幾個基于石英和MEMS的貼片晶振的電磁兼容性標準IEC61000-4.3[3]進行EMS測試。測試了表1中列出的單端和差分端振蕩器。IEC6100-4.3標準規定了在DUT處強度為3V/m的感應電磁場，載波頻率掃描從80MHz到1GHz，步長為1％。使用圖2所示的設置在消聲室中進行測試。測試設備的位置使其與垂直極化天線的軸對齊，如圖3所示。

圖2：EMS測試的設置

圖3：顯示消聲室內天線和測試臺的照片

圖4：用于石英器件的消聲室中在80和80.8MHz下3v/mem場產生的噪聲的噪聲雜散測試結果

相位噪聲分析儀可捕獲每個被測貼片石英晶振的相位抖動和相位噪聲。在感應電磁場的影響下，相位噪聲曲線將顯示出更明顯的雜散噪聲或相位雜散，其頻率與EM干擾的頻率混淆，如圖4所示。高強度相位噪聲雜散，按順序對于圖4中所示的石英振蕩器，-50dBc/Hz的濃度集中在對應于感應EMI噪聲頻率的混疊相位噪聲雜散頻率。這些雜散隨著EMI噪聲頻率的變化而變化，對整個頻率掃描范圍內的平均功率具有累加效應。次級噪聲雜散的幅度低得多，并且對整體相位噪聲的影響不大。

為了簡潔地量化每個器件的EMS，我們使用公式2計算80MHz至1GHz范圍內的噪聲雜散的平均功率P.在該等式中，Sp是每個電磁的EMI引起的雜散的幅度噪聲頻率，N是掃描中的頻率數。

我們對在兩種不同載波頻率下工作的各種商用石英和基于MEMS硅晶振進行了EMS測試（見表1）。

表1.被測振蕩器器件;單端器件（藍色陰影）工作在26MHZ，差分器件（綠色陰影）工作在156.25MHz

實驗結果:

平均噪聲雜散數據顯示，ILSI MMD MEMS差分晶振的性能優于競爭差分MEMS和石英振蕩器高達35dB，相當于對輻射場的抗擾度的54倍，如圖5所示.ILSIMMD單端振蕩器如圖6所示，其基于石英的對應物的性能高達12dB，或者是對輻射場的抗擾度的4倍。這是因為ILSIMMDMEMS振蕩器的主要噪聲雜散幅度低于石英振蕩器。因此，根據等式2計算為平方和的根的平均雜散功率要低得多。

圖5差分振蕩器對輻射電磁場的敏感性，80MHz-1GHz

圖6：單端振蕩器對輻射電磁場的敏感性，80MHZ-1GHZ

振蕩器設計降低EMI靈敏度：

與塑料封裝相比，結果與圍繞石英振蕩器的金屬外殼提供改善的EMI保護的想法不一致。ILSI MMD MEMS振蕩器采用塑料封裝，但它們表現出較低程度的EMI引起的噪聲雜散。除了封裝之外的東西必須解釋基于MEMS和基于石英的振蕩器之間EMS的變化。答案可能在于時鐘晶振或其伴隨的振蕩器電路，兩者都可能對EMI敏感。

石英晶體是壓電材料并且響應于機械振動而累積電荷。因此，它們的工作頻率會受到諸如不需要的EMI之類的輸入電信號的影響，從而對時鐘信號的可靠性產生負面影響。ILSIMMD的硅MEMS諧振器通過靜電激勵表現出機械振動，因此對輸入EMI自然不太敏感。它們經過精確調諧，具有高Q值，可抑制外部噪聲。

圖7：ILSIMMDMEMS振蕩器架構

ILSI MMD MEMS振蕩器背后的驅動電路是一個模擬電路（如圖7所示），可優化電噪聲條件下的性能，包括具有高EMI水平的電氣噪聲條件。振蕩器設計包括固有地抑制任何耦合共模噪聲的差分電路。其他石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器設計更多地依賴于封裝而不是噪聲抑制模擬電路，因此沒有這種優勢。

ILSI MMD MEMS振蕩器特別適用于引起抖動的外部EMI源。即使對于競爭對手的振蕩器經歷顯著信號衰減的范圍內的高頻EMI噪聲也是如此。根據ILSIMMD委托在經認可的第三方實驗室進行的測試和其他EMI研究[1][2]所示的結果，壓電石英晶體更容易受到EMI的影響。因此，ILSIMMD振蕩器是在可能存在大電磁源的潛在噪聲，不可預測環境中可靠運行的最佳選擇。

人類在自然的探索和接觸中，發現了兩種帶有壓電效應和逆壓電效應的物質，就是石英水晶和硅晶，這兩種不同材料做出來的晶振外觀，功能，設計都不一樣，MEMS可編程振蕩器的外觀一般是黑色陶瓷面的，而且可以指定頻率，具有低相位噪聲，低相位抖動等性能。而由石英水晶生產的Oscillator，外觀大部分都是金屬面的，少部分是黑色陶瓷面，而且不是所有類型都可以實現低抖動和低相噪。論成本和性能的話，MEMS要高于石英振蕩器。