晶振常用输出波形解析及应用

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。

本文将从晶振的输出波形和应用场景展开，让您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。

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。下面我们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。

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，我们就不在这里展开。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：1、单向点对点和双向点对点；2、多分支形式；3、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。

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。

现在我们已经完成了各种波形的梳理，接下来的问题是这么多波形，我们应该怎么选择呢？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。

解析：晶振的三类输出波形

　　对于晶振输出波形，相信一部分人可能认为只有两种波形，即无源晶振输出波形为正弦波，有源晶振输出波形为方波，小部分为正弦波。

　　由于在有源晶振内部加了整形电路，所以输出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波输出(很多时候在示波器上看到的还是波形不太好的正弦波，这是由于示波器的带宽不够。

　　例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器测量，显示的是正弦波，这是由于方波的傅里叶分解为基频和奇次谐波的叠加，带宽不够的话，就只剩下基频20MHz和60MHz的谐波，所以显示正弦波。完美的再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，所以需要至少100M的示波器。)。

　　方波主要用于数字通信系统时钟上，用来驱动时纯计数电路或门电路，对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。正弦波主要用于对EMI、频率干扰有特殊要求的电路，这种电路要求输出的高次谐波成分很小;后面有模拟电路选用正弦波也是比较好的选择。通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。方波输出功率大，驱动能力强，但谐波分量丰富;正弦波输出功率不如方波，但其谐波分量小很多。

　　有源晶振的频率输出必定要有某个波形作为输出载体，波形的输出也必定会伴随着某个负载值。在实际使用中，波形负载也是晶振的非常重要参数指标。选择不当的话，轻则导致晶振或其他模块工作不正常，功能无法实现，重则损坏模块甚至整机。

　　晶振的输出波形主要有三大类：正弦波、方波和准正弦波。

　　晶振负载主要有以下几种：

　 （1）正弦波：负载50欧姆或1k欧姆;

　 （2）方波：N个TTL负载或N个PF电容;

　 （3）准正弦波：10K欧姆并联10PF电容;

　　此外还有差分输出PECL、LVDS等高频(100MHz以上)常用的，实际使用中晶振的输出一般用于驱动以下电路形式：

　　1、同轴电缆类的长线输出;

　　2、滤波器类的电路的输出;

　　以上两种电路一般适用于50欧姆的负载。这是因为以上两种电路一般需要50欧姆负载作匹配，在射频领域还有75欧姆、300欧姆等特征阻抗，需要时要加以说明。此类的输出波形最适合的为正弦波，正弦波经过长线传输后波形只是幅度有所衰减，波形并不会有畸变。

　　3、门电路的输入;

　　要驱动门电路，需要讲究高电平、低电平、占空比、上升时间、下降时间等指标，否则难以顺利驱动。因此方波是最适合的波形。门电路也有TTL和CMOS门的区分，但目前主流的电路都实现了TTL/CMOS的兼容，作为高阻抗的输入，其输入的电阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04与非门的输入阻抗约为3.5PF(有时候晶振输出不止驱动一个门，因此方波负载一般为15PF，这样可以驱动3~4个门，有种高驱动能力的重负载为50PF，可以驱动十几个门)。

　　4、取代晶体谐振器作为振荡电路的输入

　　在很多电子芯片中都可以直接使用晶体谐振器做为时钟脉冲产生器，如果要求更高质量的时钟，也会用到晶体振荡器。例如常用的单片机AT89C51，其管脚XTAL1和XTAL2本是用来接晶体谐振器的(另外需要2个电容)，如果用来接晶体振荡器：分析其内部电路可知，XTAL1脚为其内部振荡电路的输入端，输入阻抗很高，放大倍数很大，因此较小的波形就可以使其触发工作(峰峰值100mV~1V)，特别适合于准正弦波的驱动。正弦波输出的晶振也可以对其驱动，但需要在输入端加阻抗匹配电阻，对晶振的输出也是一种浪费。方波输出的晶振也可以对其驱动，但因方波输出幅度太大，存在过驱动的嫌疑，过驱动的坏处就是会使时钟电路的噪声变大，如果对噪声不敏感，也可以这样用。方波输出的晶振最好接入XTAL2管脚，XTAL2管脚是门电路输入和输出的并联，其输入阻抗较低，需要的驱动电平较大(至少要达到TTL电平低电平小于0.4V，高电平大于2.4V的标准)。用正弦波或准正弦波需要其带负载时峰峰值达到2V以上才可以。说明：接晶体振荡器时，管脚上的2个电容一般是不需要的。

　　5、三极管、高速运放电路的输入

　　有时候用户为实现整形、放大等目的，用三极管、高速运放对晶振波形进行处理，这种情况下负载阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最为合适。需要提供负载、波形幅度等参数。

　　6、对EMI、频率干扰有特殊要求的电路

　　这种电路要求输出的高次谐波成分很小，因此不管驱动的是什么电路，都以正弦波为最好。

　　方波输出分为：TTL电平和CMOS电平在：

　　TTL电平输入低电平<=0.8V，高电平>=2.0V;输出低电平<0.4V，高电平>2.4V，最大低电平和最小高电平之间是无效电压;

　　CMOS电平输入低电平<0.3Vcc，输入高电平>0.7Vcc，输出低电平<0.1Vcc(接近于0)，输出高电平>0.9Vcc(接近于电源电压)。

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