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(nèi)容會(huì)是MEMS可編程晶振，與普通石英振蕩器的電磁敏感性。對(duì)電磁有所了解的都知道，EMI設(shè)計(jì)會(huì)影響高端振蕩器的相位噪聲，相位抖動(dòng)和時(shí)鐘頻率等，美國(guó)和歐洲的晶體制造商幾十年來(lái)，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(shè)計(jì)方案中，直到現(xiàn)在，絕大多數(shù)的Oscillator和硅MEMS晶振，都已實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾性能。

電源，電源線，閃電，計(jì)算機(jī)設(shè)備和晶振都是潛在的電磁干擾源（EMI），可能會(huì)影響電子元件的性能。EMI可以通過(guò)單個(gè)系統(tǒng)中的電路從一個(gè)組件傳導(dǎo)到另一個(gè)組件，或者通過(guò)無(wú)線電波傳輸。需要通過(guò)RF進(jìn)行通信的設(shè)備有意發(fā)出可能干擾其他設(shè)備的電磁信號(hào)，但即使是非設(shè)計(jì)用于發(fā)射電磁信號(hào)的設(shè)備也可能無(wú)意中導(dǎo)致EMI噪聲。FCC法規(guī)限制允許某些類別的設(shè)備（例如計(jì)算設(shè)備和微波爐）的排放，但這并不能保證電子元件不會(huì)被消費(fèi)產(chǎn)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(dòng)可能會(huì)顯著增加。通過(guò)板級(jí)屏蔽或?yàn)V波可以降低到達(dá)振蕩器的EMI，但這種方法并不總是成功的。通過(guò)評(píng)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(shè)計(jì)如何最大限度地減少EMI對(duì)時(shí)鐘性能的不利影響。

測(cè)試對(duì)EMI的易感性：

由于輻射的EM噪聲會(huì)對(duì)Oscillator的相位噪聲性能產(chǎn)生不利影響[1][2]，因此測(cè)試方法包括對(duì)每個(gè)被測(cè)器件（DUT）進(jìn)行輻射EMI的固定功率測(cè)量，并測(cè)量相關(guān)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(shí)以及在載波頻率為80MHz時(shí)受到EMI噪聲時(shí)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(biāo)稱時(shí)鐘頻率;N是大于1的正整數(shù)。

圖1：沒(méi)有和沒(méi)有emi噪聲注入的26mhz石英振蕩器的相位噪聲

ILSIMMD使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)幾個(gè)基于石英和MEMS的貼片晶振的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4.3[3]進(jìn)行EMS測(cè)試。測(cè)試了表1中列出的單端和差分端振蕩器。IEC6100-4.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在DUT處強(qiáng)度為3V/m的感應(yīng)電磁場(chǎng)，載波頻率掃描從80MHz到1GHz，步長(zhǎng)為1％。使用圖2所示的設(shè)置在消聲室中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備的位置使其與垂直極化天線的軸對(duì)齊，如圖3所示。

圖2：EMS測(cè)試的設(shè)置

圖3：顯示消聲室內(nèi)天線和測(cè)試臺(tái)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(chǎng)產(chǎn)生的噪聲的噪聲雜散測(cè)試結(jié)果

相位噪聲分析儀可捕獲每個(gè)被測(cè)貼片石英晶振的相位抖動(dòng)和相位噪聲。在感應(yīng)電磁場(chǎng)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(qiáng)度相位噪聲雜散，按順序?qū)τ趫D4中所示的石英振蕩器，-50dBc/Hz的濃度集中在對(duì)應(yīng)于感應(yīng)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(duì)整個(gè)頻率掃描范圍內(nèi)的平均功率具有累加效應(yīng)。次級(jí)噪聲雜散的幅度低得多，并且對(duì)整體相位噪聲的影響不大。

為了簡(jiǎn)潔地量化每個(gè)器件的EMS，我們使用公式2計(jì)算80MHz至1GHz范圍內(nèi)的噪聲雜散的平均功率P.在該等式中，Sp是每個(gè)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(shù)。

我們對(duì)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(jìn)行了EMS測(cè)試（見(jiàn)表1）。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

平均噪聲雜散數(shù)據(jù)顯示，ILSI MMD MEMS差分晶振的性能優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)差分MEMS和石英振蕩器高達(dá)35dB，相當(dāng)于對(duì)輻射場(chǎng)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(duì)應(yīng)物的性能高達(dá)12dB，或者是對(duì)輻射場(chǎng)的抗擾度的4倍。這是因?yàn)?/span>ILSIMMDMEMS振蕩器的主要噪聲雜散幅度低于石英振蕩器。因此，根據(jù)等式2計(jì)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(duì)輻射電磁場(chǎng)的敏感性，80MHz-1GHz

圖6：?jiǎn)味苏袷幤鲗?duì)輻射電磁場(chǎng)的敏感性，80MHZ-1GHZ

振蕩器設(shè)計(jì)降低EMI靈敏度：

與塑料封裝相比，結(jié)果與圍繞石英振蕩器的金屬外殼提供改善的EMI保護(hù)的想法不一致。ILSI MMD MEMS振蕩器采用塑料封裝，但它們表現(xiàn)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(shí)鐘晶振或其伴隨的振蕩器電路，兩者都可能對(duì)EMI敏感。

石英晶體是壓電材料并且響應(yīng)于機(jī)械振動(dòng)而累積電荷。因此，它們的工作頻率會(huì)受到諸如不需要的EMI之類的輸入電信號(hào)的影響，從而對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。ILSIMMD的硅MEMS諧振器通過(guò)靜電激勵(lì)表現(xiàn)出機(jī)械振動(dòng)，因此對(duì)輸入EMI自然不太敏感。它們經(jīng)過(guò)精確調(diào)諧，具有高Q值，可抑制外部噪聲。

圖7：ILSIMMDMEMS振蕩器架構(gòu)

ILSI MMD MEMS振蕩器背后的驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)模擬電路（如圖7所示），可優(yōu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)更多地依賴于封裝而不是噪聲抑制模擬電路，因此沒(méi)有這種優(yōu)勢(shì)。

ILSI MMD MEMS振蕩器特別適用于引起抖動(dòng)的外部EMI源。即使對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的振蕩器經(jīng)歷顯著信號(hào)衰減的范圍內(nèi)的高頻EMI噪聲也是如此。根據(jù)ILSIMMD委托在經(jīng)認(rèn)可的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測(cè)試和其他EMI研究[1][2]所示的結(jié)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(yù)測(cè)環(huán)境中可靠運(yùn)行的最佳選擇。

人類在自然的探索和接觸中，發(fā)現(xiàn)了兩種帶有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的物質(zhì)，就是石英水晶和硅晶，這兩種不同材料做出來(lái)的晶振外觀，功能，設(shè)計(jì)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(dòng)等性能。而由石英水晶生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)和低相噪。論成本和性能的話，MEMS要高于石英振蕩器。