一、引言

电源、电线、雷电、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有可能通过单一系统的电气路径从一个组件传到其他组件，也有可能通过广播波发送。需要通过射频(RF)通信的设备会故意发出可能干扰其他设备的电磁信号，但即使不是被设计成发出电磁信号的设备，也会故意发出EMI噪声的关键有成为原因的情况。FCC法规限制了计算设备和微波炉等特定设备的允许辐射量，但这并不能保证电子部件不会受到来自民用产品的电磁干扰。几乎所有的电子设备和电子部件都会产生EMI，所以为了避免对定时设备等电子部件的干扰，把EMI的产生作为电路设计的一部分来考虑是很重要的。当存在外部EMI源时，振荡器的相位噪声和相位抖动可能显著增加。底板级的密封和滤波可以降低到达振荡器的EMI，但是这个方法并不总是成功的。通过评估各种振荡器的电磁场感受率(EMS)，我们可以确定导致EMS的原因，并了解如何设计合适的振荡器可以将EMI对时钟性能的负面影响降至最低。

二、对EMI的电磁场感受率测试

由于所发射的EM噪声对振荡器的相位噪声性能产生负面影响[1][2]，测试方法将每个被测试设备(DUT)暴露在固定的辐射EMI功率下，并且在预先相关的偏移频率下的递增相位测量了伊豆的杂波功率。图1是关于26mhz的晶体发信器，由80mhz的载波有无EMI噪声引起的相位噪声的图。对于振荡器的输出频率，偏移量为2mhz的相位噪声杂波可以用以下的发散频率公式计算。

Falias = Femi - N*Fc……………………………. .公式1 

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

图1:无EMI噪声注入和有EMI噪声注入的26 MHz石英振荡器的相位噪声

SiTime根据电磁场兼容标准IEC 61000-4.3，利用公认测试所对若干晶体振荡器和MEMS振荡器进行EMS测试。如表1所示，我们对单端振荡器和差动型振荡器进行了测试。IECO6100-4.3标准[3]中，感应电磁场在DUT中为3v /m触发，载波频率扫描在80mhz ~ 1ghz范围内为1%刻度。本试验是在图2所示配置构成的无响室进行的。如图3所示，被测试设备被配置成与垂直偏振天线的轴成一直线。

图2:EMS测试的设置

图3:消声室内部的天线和测试台

图4:石英器件消声室中3v / memfield在80和80.8 MHz下产生的噪声的杂散测试结果

相位噪声分析器捕获各被测试设备的相位抖动和相位噪声。如图4所示，在电磁场触发的环境下，在因电磁干扰而产生杂波的频率处，相位噪声图显示出更明显的杂波或相位杂波。相对于图4所示的晶体振荡器，大约- 50dbc /Hz的高振幅相位噪声杂波集中在与感应EMI噪声的频率相当的杂波相位噪声杂波频率上。这些杂波随着EMI噪声频率的变化而移位，在整个频率扫描范围内对平均功率有叠加效应。二阶噪声杂波的振幅相当低，对所有的相位噪声没有那么强的效果。 

为了简洁地将各设备的EMS数值化，使用公式2计算80mhz ~ 1ghz噪声杂波的平均功率“P”。本式中，Sp表示对各电磁噪声频率的EMI感应杂波的大小，N表示扫描上的频率。

使用两种不同的载波频率，对市面上各种各样的晶体振荡器和基于MEMS的振荡器的工作进行了EMS测试(参照表1)。

表1。被测振荡器装置;单端器件(蓝色阴影部分)工作频率为26mhz，差分器件(绿色阴影部分)工作频率为156.25 MHz

三、实验结果

如图5所示，SiTime的MEMS差分振荡器与竞争的MEMS差分振荡器和晶体振荡器相比，具有最大35抗辐射电解电磁波能力关于平均噪声杂波的数据显示优于dB(相当于54倍)。如图6所示，SiTime的单端振荡器与其他公司生产的晶体振荡器相比，在辐射电解的电磁波耐受性方面最大优于12db(或4倍)。这是因为Sitime的MEMS振荡器的初级噪声杂波的宽度比水晶振荡器的低。因此，平均杂波功率(根据公式2计算平方和的平方根)会很低。

图5:差分振荡器对80 MHz-1 GHz辐射电磁场的磁化率

图6:单端振荡器对80 MHz-1 GHz辐射电磁场的磁化率

四、EMI降低灵敏度振荡器的设计

结果与我们的预想不一致:与塑料封装相比，金属外壳内的晶体振荡器在保护电磁干扰方面更出色。SiTime的MEMS振荡器是塑料封装的，但是EMI感应的噪声杂波更低。必须根据封装以外的什么来说明MEMS振荡器和晶体基振荡器的不同。答案可能在于可能对EMI敏感的振荡器或伴随的振荡器电路。晶体是压电物质，对机械振动产生反应，积蓄电荷。因此，工作频率可能受到输入电信号的影响，例如不必要的EMI，会对时钟信号的可靠性产生不良影响。SiTime的硅MEMS振荡器，由于显示静电激发的机械振动，对输入EMI的感受性必然降低。SiTime的硅MEMS振荡器是通过排除外部噪声的高Q值精密调谐的。

图7:SiTime MEMS振荡器架构

SiTime的MEMS振荡器所附带的驱动电路，是为了在高水平EMI等电噪声较多的情况下发挥性能而优化的模拟电路(参照图7)。该振荡器的设计，包含着本质上排除任何耦合共模噪声的差分电路。其他晶振和MEMS振荡器的设计依靠封装而不是模拟电路来抑制噪声，因此它们对EMI的抵抗力较弱。

五、结论

SiTime的MEMS振荡器对引起抖动的外部EMI源具有抗性。这也适用于竞争对手的振荡器引起显著信号劣化的高频EMI噪声。在公认的第三方测试所进行的SiTime委托测试结果以及其他有关EMI[1][2]的研究表明，压电晶体振荡器对EMI的感受率更高。因此，SiTime的振荡器是在潜在的、噪声很大的、无法预测的环境中确保可靠运行的最佳选择。