MEMS振荡器的EMI与EMS测试设置

晶体振荡器需要考虑的重要噪声源是外部EMI噪声,它会影响石英晶体振荡器的性能(与时钟源发出的EMI信号相反).电源,电线,闪电,计算机设备和电子元件都是外部EMI的潜在来源,可能导致系统干扰辐射.在诸如无源光网络(PON),蜂窝基站以及在存在大电磁源的室外环境中使用的许多产品的应用中,EMI是一个严重的问题.EMI也是高密度PCB的关注点,因为如果有多个开关电源,振荡器元件可以靠近这些电源放置.当受到EMI的影响时,它会改变时钟的抖动,在最坏的情况下,时钟非常可靠.

它可能会对频率相关的系统功能产生不利影响.由于在系统正在接收的EMI存在的情况下相位抖动和相位噪声显着增加,因此尝试去除到达振荡器的噪声并不总是成功的.或者,设计一个不易受EMI影响的时钟源.电磁场灵敏度(EMS)指标量化了EMI对电子电路(如OSC晶振)的有害影响.

EMS可以按照EMC标准IECEN61000-4.3中规定的程序进行测量.该标准是在80MHz至1GHz的频带内逐渐将3V/m的辐射电磁(EM)场的频率增加1％.DUT放置在一个调谐的消声室中,如图4所示,并与垂直极化天线的轴线对齐.相位噪声分析仪和精密低噪声数字信号分析仪可捕获振荡器相位噪声.噪声杂散发生在电磁场中,并且杂散输出是振荡器EMS的指示.

图4.EMS测试的设置

图5和图6显示了多晶体和MEMS振荡器(差分晶振和单端)的EMI效应数据.SiTime MEMS振荡器优于石英振荡器和其他MEMS振荡器.这些结果表明,理解性能和操作条件之间的关系非常重要.

图5.156.25MHz LVPECL差分时钟振荡器的EMI引起的相位噪声杂散的平均水平

图6.26MHz单端振荡器上EMI引起的相位噪声的平均电平

冲击和振动

许多电子产品在使用过程中受到相当大的振动力.对于随身携带在口袋或背包中的移动和便携式设备尤其如此.便携式GPS组件,工业设备和航空航天设备中使用的电子设备可能会受到高频振动.即使是在待机状态下使用的产品也可能受到附近风扇和其他设备的振动.

晶体振荡器可能对振动具有显着的敏感性,这取决于所使用的机械结构和密封方法.采用SiTime的MEMS FirstTM技术[1]制造的MEMS可编程晶体振荡器本质上更能抵抗因振动导致的性能下降,原因有两个.一个是比石英晶体小得多的质量,因为由振动引起的加速度在晶体上引起的力减小.其次,SiTime的MEMS振荡器设计采用非常坚固的结构(面内振动设计,固有振动电阻设计,振荡器电路设计,可最大限度地减少振动下的频率偏移).单晶硅是一种结合了高硬度和柔韧性的优质材料,最近也用于奢侈手表中的弹簧.

振动可能会产生与电振动频率相同的杂散信号,从而降低OSC振荡器的性能,从而导致频率尖峰,相位抖动增加或宽带噪声.另外,机械力可能物理地损坏振动器的结构.由于振荡器的响应取决于外部机械力的方向,程度和频率,因此有必要查看几种不同类型测试的结果,以便获得振荡器电阻的最完整图像.

第一项测试通过观察在特定频率发生的杂散相位噪声和噪声杂散来评估对正弦振动的响应.该相位噪声被转换为频率调制(FM)噪声并归一化为1g振动加速度的载波频率.然后将结果以十亿分之一/克(ppb/g)为单位表示为振荡频率的函数.使用控制器,功率放大器和振动器进行测量.正弦波振动测试以4g的峰值加速度(每个正弦波的频率为15Hz至2kHz)执行,其表示振动器在实际使用环境中接收的振动力.在振荡器中以三个方向X,Y和z评估应力,并且将每个观察到的噪声的最大值作为测量结果.图7显示了晶体,SAW和MEMS差分振荡器的振动灵敏度结果.SiTime可编程振荡器比其他器件的性能提高10到100倍.