MEMS和石英晶体振荡器的电磁敏感性比较

介绍

电源，电源线，闪电，计算机设备和电子元件都是潜在的电磁干扰源（EMI），可能会影响石英晶体电子元件的性能。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，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，有源晶振输出频率的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。

ILSI MMD使用经过认证的测试实验室，根据几个基于石英和MEMS的振荡器的电磁兼容性标准IEC 61000-4.3 [3]进行EMS测试。测试了表1中列出的单端和差分端振荡器。IEC 6100-4.3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。

相位噪声分析仪可捕获每个被测器件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更明显的杂散噪声或相位杂散，其频率与电磁干扰的频率混淆，如图4所示。高幅度相位噪声杂散，按顺序对于图4中所示的石英晶体振荡器，-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要低得多，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的振荡器进行了EMS测试（见表1）。

实验结果

平均噪声杂散数据显示，ILSI MMD差分MEMS振荡器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.ILSI MMD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ILSI MMD MEMS振荡器的初级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。

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。答案可能在于谐振器或其伴随的振荡器电路，两者都可能对EMI敏感。

石英晶振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。ILSI MMD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。

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。

结论

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ILSI MMD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，压电石英晶振器件更容易受到EMI的影响。因此，ILSI MMD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。