【技术】解析晶振常用输出波形及应用

时间： 2021-11-09 来源：大普通信

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对电路设计工程师而言，晶振是一种非常常见的电子元器件，特别是在数字电路的应用场景里，晶振的知识可以从很多角度去延伸和展开。本文大普通信将从晶振的输出波形和应用场景展开，可更进一步的了解和认识晶振，从而更好的完成相关设计，充分发挥出晶振特有的效能，最大地实现晶振的价值，根据实际的应用场景和晶振输出波形选择合适的晶振。

有时候会对于需要什么样的波形有些困惑，在日常的沟通中，有时候会遇到这样的对话场景：

图 1 对话场景

但事实是真的都行吗？如果选了不合适的产品，可能结果是电路都无法正常工作。

晶振到底有哪些输出波形呢？常用的输出波形主要是方波、正弦波和削顶正弦波。而方波又由于其具体的实现原理、参数或具体输出端的不同而细分为很多波形。下面来具体看看各种不同的波形及其各自的特点：

方波

方波（Square Wave），是各种波形中家族成员最多的一个，应用的场景也很多，但其有一个最大的问题是其谐波分量非常的丰富，实际使用中，综合考虑时钟沿抖动和谐波干扰的影响，能满足系统抖动要求的前提下，尽量使信号沿缓一些。

图 2

单端方波：

TTL（Transistor-Transistor Logic）：即晶体管-晶体管逻辑电路，其传输延迟快，功耗高，而且顾名思义，其属于电流控制型的器件，最高频率可达100MHz，抖动性能一般。

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）：即互补金属氧化物半导体CMOS逻辑电路，其主要特点是传输延迟时间慢，功耗低，从实现原理来看，属于电压控制性器件。相对于TTL而言，其噪声容限更高，输入阻抗也远大于TTL的输入阻抗，最高频率可达200MHz，抖动性能一般。

HCMOS（High speed CMOS）：即高速CMOS，除集成了CMOS几乎所有的特点外，HCMOS的速度要比CMOS的速度更快。

差分信号：

ECL（Emitter Coupled Logic）：即发射极耦合逻辑电路，它的主要特点是速度快、驱动能力强、噪声小，最高频率可达2.1GHz，抖动指标也很好，但缺点是功耗很大，而且还需要负电源。

PECL（Positive ECL）：即正发射极耦合逻辑电路，其是在ECL的基础上改进而来，因为ECL除了正电源外还需要一个负电源，有时会给设计带来不便，因此诞生了PECL。

LVPECL（Low Voltage PECL）：是在PECL的基础上改进而来，典型输出为一对差分信号，发射极通过交流源接地。

需要注意的是：ECL、PECL和LVPECL均为发射极跟随输出结构，必须有电阻拉到一个直流偏置电压。当然，关于具体的电路设计属于另外一个话题的范畴，就不在这里展开。

LVDS（Low Voltage Differential Signaling）：即低压差分信号，频率可以达到600MHz以上，应用模式主要有三种：

●单向点对点和双向点对点；

●多分支形式

●多点结构。其整体对PCB的设计要求较高，差分线要严格等长等，所以在具体设计时要特别注意。

正弦波

正弦波(Sine Wave)，一般负载为50Ω。相对方波而言，其谐波分量要少很多，一般谐波抑制均可优于-30dB。缺点是信号沿比较缓慢，在噪声的影响下，相位准确度会变差，不适合做数字系统的参考时钟。

图 3

削顶正弦波

削顶正弦波（Clipped Sine Wave），谐波分量相比方波较小，但驱动能力也较弱。在负载为10kΩ//10pF时，Vp-p为0.8Vmin，通常小型化表贴TCXO会输出该波形，信号沿介于正弦波和方波之间。

图 4

现在已经完成了各种波形的梳理，接下来的问题是这么多波形，应该怎么选择呢？换个角度说，也就是这么多种类的波形，分别会使用在什么样的场景里呢？

正弦波

由于正弦波其自身的特点，决定了其通常用于射频信号处理、频率源等应用场合。比如要驱动同轴电缆将时钟信号进行长线传输时、要驱动滤波器类的电路时，或者为实现整形放大等目的作为三极管和高速运放的输入时。正弦波均是最适合的波形。而且，更为重要的是，由于正弦波谐波分量很少，因此当对EMI、频率干扰等有特殊要求时，例如微波通信、雷达和高速数传等类似系统，正弦波是不二的选择。

削顶正弦波

关于削顶正弦波，主要应根据实际应用对谐波、功耗、成本以及具体电路的适配性来选择。因为削顶正弦波的低功耗特性，使其改善了热特性和频率稳定性能，所以当对这些指标以及成本有考量时，可以考虑削顶正弦波。

方波

方波是工程师接触最多的时钟波形，主要应用在数字通信系统时钟上，用来驱动相关电路。比如驱动门电路时，由于门电路要讲究严格的高低电平、占空比、上升/下降沿时间等指标，此时方波是最好的选择。而且再进一步来讲，门电路的电平也是分为不同的种类，也要据此来进行进一步的判断。当然，现在也是有可以兼容的情况，这些就需要工程师们自己来具体把握了。

以上就是关于晶振的波形种类和相关应用场景的简单介绍，只是起到一个抛砖引玉的作用，关于晶振的实际选择，不是一种非此即彼的选项，往往需要根据实际的情况来做一些取舍，正所谓鱼与熊掌不可兼得。当前设备对时钟晶振类产品的要求越来越高，挑战越来越大，大普通信有着全时钟领域近二十年的行业经验，有着非常丰富的产品设计和行业应用经验，会始终秉承“以客户为中心”的产品导向及服务宗旨，竭诚为行业提供全方位的专业化服务。

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