一、引言

电源、电力线、闪电、计算机设备和电子元件都是可能影响电子元件性能的电磁干扰（EMI）的潜在来源。EMI 可以通过单个系统中的电气通路从一个元件传导到另一个元件，也可以通过电波传输。需要通过射频进行通信的设备有意发射可能干扰其他设备的电磁信号，但即使不是设计用来发射电磁信号的设备也可能无意地造成 EMI 噪声。FCC 法规限制了某些类别的设备（如计算设备和微波炉）的允许发射量，但这并不能保证电子元件不会受到消费产品的 EMI 损害。几乎每一个电子设备或元件都能够产生 EMI，由于其可能对包括定时装置在内的电子元件造成损害，因此在电路设计中考虑 EMI 暴露是很重要的。

在外部 EMI 源存在的情况下，振荡器的相位噪声和相位抖动可能会大幅增加。通过电路板级的屏蔽或滤波来减少到达振荡器的 EMI 是可能的，但这种方法并不总是成功的。通过评估各种振荡器的电磁敏感性（EMS），我们可以确定导致 EMS 的因素，并了解适当的振荡器设计如何将 EMI 对时钟性能的不利影响降至最低。

二、测试EMI敏感性

由于辐射的电磁噪声会对振荡器的相位噪声性能产生不利影响[1][2]，测试方法包括使每个被测设备（DUT）受到固定功率的辐射 EMI，并测量相关偏移频率处的增量相位噪声杂散功率。图 1 显示了一个 26 MHz 石英振荡器在未暴露于 EMI 以及在 80 MHz 载波频率的 EMI 噪声下的相位噪声图。振荡器输出频率在 2 MHz 偏移处的相位噪声杂散可以从下面所示的混叠频率公式得出：

公式1

 Femi = 注入的 EMI 噪声的频率；Fc = 振荡器的标称时钟频率；N 是大于 1 的正整数。

图 1：没有和有EMI噪声注入的 26 MHz 石英晶振的相位噪声

SiTime 使用了一家获得认可的测试实验室，按照电磁兼容性标准 IEC 61000-4.3 [3] 对多款基于石英晶振和 MEMS 的振荡器进行了 EMS 测试。如表 1 所列，对单端和差分端振荡器都进行了测试。IEC 6100-4.3 标准规定，在被测设备（DUT）处感应电磁场强度为 3V/m，载波频率从 80 MHz 到 1 GHz 以 1%的步长进行扫描。测试在消声室中进行，使用图 2 所示的设置。被测设备的位置要与垂直极化天线的轴线对齐，如图 3 所示。

图 2：EMS 测试的设置

图 3：显示消声室内的天线和测试台的照片

图 4：石英晶振消声室中80和80.8 MHz下3V/m电磁场产生的噪声的噪声杂散测试结果

相位噪声分析仪捕获每个被测设备的相位抖动和相位噪声。在感应电磁场的影响下，相位噪声图将在与电磁干扰频率混叠的频率处显示更明显的杂散噪声或相位杂散，如图 4 所示。对于图 4 中所示的石英振荡器，高幅度的相位噪声杂散约为 -50 dBc/Hz，集中在与感应 EMI 噪声频率对应的混叠相位噪声杂散频率处。这些杂散会随着 EMI 噪声频率的变化而移动，对整个频率扫描范围内的平均功率产生累加效应。次级噪声杂散的幅度要低得多，对整体相位噪声的影响不大。

为了简洁地量化每个设备的 EMS，我们使用公式 2 计算 80 MHz 至 1 GHz 范围内噪声杂散的平均功率 P。在此公式中，Sp 是每个电磁噪声频率的 EMI 感应杂散的幅度，N 是扫描中的频率数量。

公式2

我们对多种市售的石英和基于 MEMS 的振荡器进行了 EMS 测试，这些振荡器在两种不同的载波频率下工作（见表 1）。

三、实验结果 

平均噪声杂散的数据表明，SiTime 差分 MEMS 振荡器的性能优于竞争的差分 MEMS 和基于石英的振荡器，最高可达 35dB，相当于对辐射场的抗扰度提高了 54 倍，如图 5 所示。SiTime 单端振荡器的性能优于其基于石英的同类产品，最高可达 12dB，或者说对辐射场的抗扰度提高了 4 倍，如图 6 所示。这是因为 SiTime MEMS 振荡器的主要噪声杂散幅度低于石英振荡器。根据公式 2 计算的平均杂散功率（即平方和的平方根）因此要低得多。

图 5：差分振荡器对辐射电磁场的敏感性，80 MHz - 1 GHz 

图 6：单端振荡器对辐射电磁场的敏感性，80 MHz - 1 GHz

四、降低 EMI 敏感性的振荡器设计 

结果与围绕石英振荡器的金属外壳相对于塑料封装能提供更好的 EMI 防护这一观点不一致。SiTime MEMS 振荡器采用塑料封装，但它们表现出更低程度的 EMI 引起的噪声杂散。基于 MEMS 和基于石英的振荡器之间 EMS 的变化必须由封装以外的因素来解释。答案可能在于谐振器或其配套的振荡器电路，这两者都可能对 EMI 敏感。

石英晶体是压电材料，会响应机械振动而积累电荷。因此，它们的工作频率可能会受到诸如不需要的 EMI 等传入电信号的影响，从而对时钟信号的可靠性产生负面影响。SiTime 的硅 MEMS 谐振器通过静电激励产生机械振动，因此对传入的 EMI 天然不太敏感。它们经过精确调谐，具有高 Q 值，能够抑制外部噪声。

图 7：SiTime MEMS 振荡器架构

SiTime MEMS 振荡器背后的驱动电路是一个模拟电路（如图 7 所示），可在电噪声环境（包括 EMI 水平较高的环境）中优化性能。振荡器设计包括差分电路，其本质上抑制任何耦合的共模噪声。其他石英晶振和 MEMS 振荡器设计更多地依赖于封装而非噪声抑制模拟电路，因此不具有这一优势。

五、结论 

SiTime MEMS 振荡器对导致抖动的 EMI 外部源具有特别强的抵抗力。即使对于竞争对手的振荡器会出现明显信号降级的高频 EMI 噪声范围，也是如此。根据 SiTime 在经过认证的第三方实验室进行的委托测试以及其他关于 EMI 的研究[1][2]的结果，压电石英晶振更容易受到 EMI 的影响。因此，在可能存在大量电磁源的潜在嘈杂、不可预测的环境中，SiTime 振荡器是可靠运行的极佳选择。