【導(dǎo)讀】對電路設(shè)計工程師而言,晶振是一種非常常見的電子元器件,特別是在數(shù)字電路的應(yīng)用場景里,晶振的知識可以從很多角度去延伸和展開。
本文將從晶振的輸出波形和應(yīng)用場景展開,讓您更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識晶振,從而更好的完成相關(guān)設(shè)計,充分發(fā)揮出晶振特有的效能,最大地實現(xiàn)晶振的價值,根據(jù)實際的應(yīng)用場景和晶振輸出波形選擇合適的晶振。
對于很多初學(xué)者而言,有時候會對于需要什么樣的波形有些困惑,在日常的溝通中,我們有時候會遇到這樣的對話場景:
但事實是真的都行嗎?如果選了不合適的產(chǎn)品,可能結(jié)果是電路都無法正常工作。
晶振到底有哪些輸出波形呢?常用的輸出波形主要是方波、正弦波和削頂正弦波。而方波又由于其具體的實現(xiàn)原理、參數(shù)或具體輸出端的不同而細(xì)分為很多波形。下面我們來具體看看各種不同的波形及其各自的特點:
1. 方波(Square Wave)
方波(Square Wave),是各種波形中家族成員最多的一個,應(yīng)用的場景也很多,但其有一個最大的問題是其諧波分量非常的豐富,實際使用中,綜合考慮時鐘沿抖動和諧波干擾的影響,能滿足系統(tǒng)抖動要求的前提下,盡量使信號沿緩一些。
單端方波:
● TTL(Transistor-Transistor Logic):即晶體管-晶體管邏輯電路,其傳輸延遲快,功耗高,而且顧名思義,其屬于電流控制型的器件,最高頻率可達(dá)100MHz,抖動性能一般。
● CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor):即互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS邏輯電路,其主要特點是傳輸延遲時間慢,功耗低,從實現(xiàn)原理來看,屬于電壓控制性器件。相對于TTL而言,其噪聲容限更高,輸入阻抗也遠(yuǎn)大于TTL的輸入阻抗,最高頻率可達(dá)200MHz,抖動性能一般。
● HCMOS(High speed CMOS):即高速CMOS,除集成了CMOS幾乎所有的特點外,HCMOS的速度要比CMOS的速度更快。
差分信號:
● ECL(Emitter Coupled Logic):即發(fā)射極耦合邏輯電路,它的主要特點是速度快、驅(qū)動能力強、噪聲小,最高頻率可達(dá)2.1GHz,抖動指標(biāo)也很好,但缺點是功耗很大,而且還需要負(fù)電源。
● PECL(Positive ECL):即正發(fā)射極耦合邏輯電路,其是在ECL的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,因為ECL除了正電源外還需要一個負(fù)電源,有時會給設(shè)計帶來不便,因此誕生了PECL。
● LVPECL(Low Voltage PECL):是在PECL的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,典型輸出為一對差分信號,發(fā)射極通過交流源接地。
需要注意的是:ECL、PECL和LVPECL均為發(fā)射極跟隨輸出結(jié)構(gòu),必須有電阻拉到一個直流偏置電壓。當(dāng)然,關(guān)于具體的電路設(shè)計屬于另外一個話題的范疇,我們就不在這里展開。
● LVDS(Low Voltage Differential Signaling):即低壓差分信號,頻率可以達(dá)到600MHz以上,應(yīng)用模式主要有三種:1、單向點對點和雙向點對點;2、多分支形式;3、多點結(jié)構(gòu)。其整體對PCB的設(shè)計要求較高,差分線要嚴(yán)格等長等,所以在具體設(shè)計時要特別注意。
2. 正弦波(Sine Wave)
正弦波(Sine Wave),一般負(fù)載為50Ω。相對方波而言,其諧波分量要少很多,一般諧波抑制均可優(yōu)于-30dB。缺點是信號沿比較緩慢,在噪聲的影響下,相位準(zhǔn)確度會變差,不適合做數(shù)字系統(tǒng)的參考時鐘。
3. 削頂正弦波(Clipped Sine Wave)
削頂正弦波(Clipped Sine Wave),諧波分量相比方波較小,但驅(qū)動能力也較弱。在負(fù)載為10kΩ//10pF時,Vp-p為0.8Vmin,通常小型化表貼TCXO會輸出該波形,信號沿介于正弦波和方波之間。
現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了各種波形的梳理,接下來的問題是這么多波形,我們應(yīng)該怎么選擇呢?換個角度說,也就是這么多種類的波形,分別會使用在什么樣的場景里呢?
1. 正弦波(Sine Wave)
由于正弦波其自身的特點,決定了其通常用于射頻信號處理、頻率源等應(yīng)用場合。比如要驅(qū)動同軸電纜將時鐘信號進(jìn)行長線傳輸時、要驅(qū)動濾波器類的電路時,或者為實現(xiàn)整形放大等目的作為三極管和高速運放的輸入時。正弦波均是最適合的波形。而且,更為重要的是,由于正弦波諧波分量很少,因此當(dāng)對EMI、頻率干擾等有特殊要求時,例如微波通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng),正弦波是不二的選擇。
2. 削頂正弦波(Clipped Sine Wave)
關(guān)于削頂正弦波,主要應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用對諧波、功耗、成本以及具體電路的適配性來選擇。因為削頂正弦波的低功耗特性,使其改善了熱特性和頻率穩(wěn)定性能,所以當(dāng)對這些指標(biāo)以及成本有考量時,可以考慮削頂正弦波。
3. 方波(Square Wave)
方波是工程師接觸最多的時鐘波形,主要應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上,用來驅(qū)動相關(guān)電路。比如驅(qū)動門電路時,由于門電路要講究嚴(yán)格的高低電平、占空比、上升/下降沿時間等指標(biāo),此時方波是最好的選擇。而且再進(jìn)一步來講,門電路的電平也是分為不同的種類,也要據(jù)此來進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。當(dāng)然,現(xiàn)在也是有可以兼容的情況,這些就需要工程師們自己來具體把握了。
以上就是關(guān)于晶振的波形種類和相關(guān)應(yīng)用場景的簡單介紹,只是起到一個拋磚引玉的作用,關(guān)于晶振的實際選擇,不是一種非此即彼的選項,往往需要根據(jù)實際的情況來做一些取舍,正所謂魚與熊掌不可兼得。當(dāng)前設(shè)備對時鐘晶振類產(chǎn)品的要求越來越高,挑戰(zhàn)越來越大,大普通信有著全時鐘領(lǐng)域近二十年的行業(yè)經(jīng)驗,有著非常豐富的產(chǎn)品設(shè)計和行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗,會始終秉承“以客戶為中心”的產(chǎn)品導(dǎo)向及服務(wù)宗旨,竭誠為行業(yè)提供全方位的專業(yè)化服務(wù)。
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