1 简介

电源、电源线、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组件传导到另一个组件，也可以通过无线电波传输。需要通过 RF 进行通信的设备会有意发射可能干扰其他设备的电磁信号，但即使不是设计为发射电磁信号的设备也可能无意中产生 EMI 噪声。

FCC 法规限制了某些类别的设备（例如计算设备和微波炉）的允许发射，但这并不能保证电子元件不会被消费产品的 EMI 损坏。几乎每个电子设备或组件都能够产生 EMI，并且将 EMI 暴露视为电路设计的一部分非常重要，因为它会对包括计时设备在内的电子组件造成损害。

存在外部 EMI 源时，振荡器的相位噪声和相位抖动可能会大幅增加。可以通过板级屏蔽或滤波来减少到达振荡器的 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)，我们可以确定影响 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。

2 测试 EMI 敏感性

由于辐射 EM 噪声会对振荡器的相位噪声性能产生不利影响 [1] [2]，因此测试方法包括让每个被测设备 (DUT) 承受固定功率的辐射 EMI，并在相关偏移频率下测量增量相位噪声杂散功率 . 图 1 显示了 26 MHz 石英振荡器在未受到 EMI 和在 80 MHz 载波频率下受到 EMI 噪声影响时的相位噪声图。振荡器输出频率的 2 MHz 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 …………………………….. 公式 1

Femi = 注入 EMI 噪声的频率； Fc = 振荡器标称时钟频率； N 是一个大于 1 的正整数。

图 1：没有和有EMI噪声注入的 26 MHz 石英振荡器的相位噪声

EMI噪声注入的 26 MHz 石英振荡器的相位噪声

SiTime 使用经认可的测试实验室根据电磁兼容性标准 IEC 61000-4.3 [3] 对多个基于石英和 MEMS 的振荡器进行 EMS 测试。表 1 中列出的单端和差分端振荡器都经过测试。 IEC 6100-4.3 标准规定了 DUT 处强度为 3V/m 的感应电磁场和以 1% 为步长从 80 MHz 到 1 GHz 的载波频率扫描。测试是在消声室中使用图 2 所示的设置进行的。被测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：显示消声室内的天线和测试台的照片

图 4：石英器件消声室中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 EM 场的影响下，相位噪声图将显示更明显的寄生噪声或相位杂散，其频率与 EM 干扰混叠，如图 4 所示。对于图 4 中所示的石英振荡器，-50 dBc/Hz 的频率集中在与感应 EMI 噪声频率相对应的混叠相位噪声杂散频率上。这些杂散随 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也不大。

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

----------------------公式2

我们对以两种不同载波频率运行的各种商用石英和基于 MEMS 的振荡器进行了 EMS 测试（见表 1）。

表 1. 被测振荡器器件；单端部件（蓝色阴影）在 26 MHz 下运行，差分部件（绿色阴影）在 156.25 MHz 下运行

3 实验结果

平均噪声杂散数据表明，SiTime 差分 MEMS 振荡器的性能优于竞争性差分 MEMS 和基于石英的振荡器高达 35 dB，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如图 6 所示，基于石英的对应物最高 12 dB，或对辐射场的抗扰度高 4 倍。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。因此，根据公式 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，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

4 降低 EMI 灵敏度的振荡器设计

结果与这样的想法不一致，即与塑料封装相比，围绕石英振荡器的金属外壳可提供更好的 EMI 保护。 SiTime MEMS 振荡器采用塑料封装，但它们的 EMI 引起的噪声杂散程度较低。除了封装之外，还必须解释基于 MEMS 和基于石英的振荡器之间 EMS 的差异。答案可能在于谐振器或其随附的振荡器电路，两者都可能对 EMI 敏感。

石英晶体是压电材料，会随着机械振动而积累电荷。因此，它们的工作频率会受到传入电信号（例如不需要的 EMI）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表现出机械振动，因此自然对传入的 EMI 不太敏感。它们经过精确调谐，具有拒绝外部噪声的高 Q 值。

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），可优化电噪声条件下的性能，包括那些具有高水平 EMI 的条件。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。其他石英和 MEMS 振荡器设计更多地依赖于封装而不是抑制噪声的模拟电路，因此没有这个优势。

5 结论

SiTime MEMS 振荡器对引起抖动的外部 EMI 源具有特别强的弹性。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。根据在经认可的第三方实验室进行的 SiTime 委托测试和其他关于 EMI [1] [2] 的研究显示的结果，压电石英器件更容易受到 EMI 的影响。因此，SiTime 振荡器是在可能存在大型电磁源的潜在嘈杂、不可预测的环境中可靠运行的绝佳选择。

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