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晶振波形 晶振常用输出波形解析及应用
发布时间 : 2024-10-05
作者 : 小编
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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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