上一篇为大家讲述了LVCMOS和MEMS系列电磁干扰和电磁兼容性处理方案，今天的主题依旧是晶振的电磁性，不同的是，内容会是MEMS可编程晶振，与普通石英振荡器的电磁敏感性。对电磁有所了解的都知道，EMI设计会影响高端振荡器的相位噪声，相位抖动和时钟频率等，美国和欧洲的晶体制造商几十年来，不断的探讨和研究如何提升振荡器抗电磁干扰的性能，并将其列入振荡器的设计方案中，直到现在，绝大多数的Oscillator和硅MEMS晶振，都已实现抗电磁干扰性能。

电源，电源线，闪电，计算机设备和晶振都是潜在的电磁干扰源（EMI），可能会影响电子元件的性能。EMI可以通过单个系统中的电路从一个组件传导到另一个组件，或者通过无线电波传输。需要通过RF进行通信的设备有意发出可能干扰其他设备的电磁信号，但即使是非设计用于发射电磁信号的设备也可能无意中导致EMI噪声。FCC法规限制允许某些类别的设备（例如计算设备和微波炉）的排放，但这并不能保证电子元件不会被消费产品的EMI损坏。

在存在外部EMI源的情况下，OSC振荡器的相位噪声和相位抖动可能会显着增加。通过板级屏蔽或滤波可以降低到达振荡器的EMI，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），我们可以确定有助于EMS的因素，并了解正确的振荡器设计如何最大限度地减少EMI对时钟性能的不利影响。

测试对EMI的易感性：

由于辐射的EM噪声会对Oscillator的相位噪声性能产生不利影响[1][2]，因此测试方法包括对每个被测器件（DUT）进行辐射EMI的固定功率测量，并测量相关偏移频率下的增量相位噪声功率。。图1显示了26MHz石英振荡器在未暴露于EMI时以及在载波频率为80MHz时受到EMI噪声时的相位噪声曲线。振荡器输出频率的2MHz偏移处的相位噪声杂散可以从如下所示的混叠频率公式得出：

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

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

图1：没有和没有emi噪声注入的26mhz石英振荡器的相位噪声

ILSIMMD使用经过认证的测试实验室，根据几个基于石英和MEMS的贴片晶振的电磁兼容性标准IEC61000-4.3[3]进行EMS测试。测试了表1中列出的单端和差分端振荡器。IEC6100-4.3标准规定了在DUT处强度为3V/m的感应电磁场，载波频率扫描从80MHz到1GHz，步长为1％。使用图2所示的设置在消声室中进行测试。测试设备的位置使其与垂直极化天线的轴对齐，如图3所示。

图2：EMS测试的设置

图3：显示消声室内天线和测试台的照片

图4：用于石英器件的消声室中在80和80.8MHz下3v/mem场产生的噪声的噪声杂散测试结果

相位噪声分析仪可捕获每个被测贴片石英晶振的相位抖动和相位噪声。在感应电磁场的影响下，相位噪声曲线将显示出更明显的杂散噪声或相位杂散，其频率与EM干扰的频率混淆，如图4所示。高强度相位噪声杂散，按顺序对于图4中所示的石英振荡器，-50dBc/Hz的浓度集中在对应于感应EMI噪声频率的混叠相位噪声杂散频率。这些杂散随着EMI噪声频率的变化而变化，对整个频率扫描范围内的平均功率具有累加效应。次级噪声杂散的幅度低得多，并且对整体相位噪声的影响不大。

为了简洁地量化每个器件的EMS，我们使用公式2计算80MHz至1GHz范围内的噪声杂散的平均功率P.在该等式中，Sp是每个电磁的EMI引起的杂散的幅度噪声频率，N是扫描中的频率数。

我们对在两种不同载波频率下工作的各种商用石英和基于MEMS硅晶振进行了EMS测试（见表1）。

表1.被测振荡器器件;单端器件（蓝色阴影）工作在26MHZ，差分器件（绿色阴影）工作在156.25MHz

实验结果:

平均噪声杂散数据显示，ILSI MMD MEMS差分晶振的性能优于竞争差分MEMS和石英振荡器高达35dB，相当于对辐射场的抗扰度的54倍，如图5所示.ILSIMMD单端振荡器如图6所示，其基于石英的对应物的性能高达12dB，或者是对辐射场的抗扰度的4倍。这是因为ILSIMMDMEMS振荡器的主要噪声杂散幅度低于石英振荡器。因此，根据等式2计算为平方和的根的平均杂散功率要低得多。

图5差分振荡器对辐射电磁场的敏感性，80MHz-1GHz

图6：单端振荡器对辐射电磁场的敏感性，80MHZ-1GHZ

振荡器设计降低EMI灵敏度：

与塑料封装相比，结果与围绕石英振荡器的金属外壳提供改善的EMI保护的想法不一致。ILSI MMD MEMS振荡器采用塑料封装，但它们表现出较低程度的EMI引起的噪声杂散。除了封装之外的东西必须解释基于MEMS和基于石英的振荡器之间EMS的变化。答案可能在于时钟晶振或其伴随的振荡器电路，两者都可能对EMI敏感。

石英晶体是压电材料并且响应于机械振动而累积电荷。因此，它们的工作频率会受到诸如不需要的EMI之类的输入电信号的影响，从而对时钟信号的可靠性产生负面影响。ILSIMMD的硅MEMS谐振器通过静电激励表现出机械振动，因此对输入EMI自然不太敏感。它们经过精确调谐，具有高Q值，可抑制外部噪声。

图7：ILSIMMDMEMS振荡器架构

ILSI MMD MEMS振荡器背后的驱动电路是一个模拟电路（如图7所示），可优化电噪声条件下的性能，包括具有高EMI水平的电气噪声条件。振荡器设计包括固有地抑制任何耦合共模噪声的差分电路。其他石英晶体振荡器和MEMS振荡器设计更多地依赖于封装而不是噪声抑制模拟电路，因此没有这种优势。

ILSI MMD MEMS振荡器特别适用于引起抖动的外部EMI源。即使对于竞争对手的振荡器经历显着信号衰减的范围内的高频EMI噪声也是如此。根据ILSIMMD委托在经认可的第三方实验室进行的测试和其他EMI研究[1][2]所示的结果，压电石英晶体更容易受到EMI的影响。因此，ILSIMMD振荡器是在可能存在大电磁源的潜在噪声，不可预测环境中可靠运行的最佳选择。

人类在自然的探索和接触中，发现了两种带有压电效应和逆压电效应的物质，就是石英水晶和硅晶，这两种不同材料做出来的晶振外观，功能，设计都不一样，MEMS可编程振荡器的外观一般是黑色陶瓷面的，而且可以指定频率，具有低相位噪声，低相位抖动等性能。而由石英水晶生产的Oscillator，外观大部分都是金属面的，少部分是黑色陶瓷面，而且不是所有类型都可以实现低抖动和低相噪。论成本和性能的话，MEMS要高于石英振荡器。