【導(dǎo)讀】對(duì)電路設(shè)計(jì)工程師而言，晶振是一種非常常見(jiàn)的電子元器件，特別是在數(shù)字電路的應(yīng)用場(chǎng)景里，晶振的知識(shí)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(chǎng)景展開，讓您更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)晶振，從而更好的完成相關(guān)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮出晶振特有的效能，最大地實(shí)現(xiàn)晶振的價(jià)值，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景和晶振輸出波形選擇合適的晶振。
對(duì)于很多初學(xué)者而言，有時(shí)候會(huì)對(duì)于需要什么樣的波形有些困惑，在日常的溝通中，我們有時(shí)候會(huì)遇到這樣的對(duì)話場(chǎng)景：
但事實(shí)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(wú)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(shí)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(lái)具體看看各種不同的波形及其各自的特點(diǎn)：
1. 方波（Square Wave）
方波（Square Wave），是各種波形中家族成員最多的一個(gè)，應(yīng)用的場(chǎng)景也很多，但其有一個(gè)最大的問(wèn)題是其諧波分量非常的豐富，實(shí)際使用中，綜合考慮時(shí)鐘沿抖動(dòng)和諧波干擾的影響，能滿足系統(tǒng)抖動(dòng)要求的前提下，盡量使信號(hào)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(dòng)性能一般。
● CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）：即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS邏輯電路，其主要特點(diǎn)是傳輸延遲時(shí)間慢，功耗低，從實(shí)現(xiàn)原理來(lái)看，屬于電壓控制性器件。相對(duì)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(dòng)性能一般。
● HCMOS（High speed CMOS）：即高速CMOS，除集成了CMOS幾乎所有的特點(diǎn)外，HCMOS的速度要比CMOS的速度更快。
差分信號(hào)：
● ECL（Emitter Coupled Logic）：即發(fā)射極耦合邏輯電路，它的主要特點(diǎn)是速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、噪聲小，最高頻率可達(dá)2.1GHz，抖動(dòng)指標(biāo)也很好，但缺點(diǎn)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(lái)，因?yàn)镋CL除了正電源外還需要一個(gè)負(fù)電源，有時(shí)會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)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(lái)，典型輸出為一對(duì)差分信號(hào)，發(fā)射極通過(guò)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(gè)直流偏置電壓。當(dāng)然，關(guān)于具體的電路設(shè)計(jì)屬于另外一個(gè)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(hào)，頻率可以達(dá)到600MHz以上，應(yīng)用模式主要有三種：1、單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)；2、多分支形式；3、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)。其整體對(duì)PCB的設(shè)計(jì)要求較高，差分線要嚴(yán)格等長(zhǎng)等，所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(diǎn)是信號(hào)沿比較緩慢，在噪聲的影響下，相位準(zhǔn)確度會(huì)變差，不適合做數(shù)字系統(tǒng)的參考時(shí)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(dòng)能力也較弱。在負(fù)載為10kΩ//10pF時(shí)，Vp-p為0.8Vmin，通常小型化表貼TCXO會(huì)輸出該波形，信號(hào)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(lái)的問(wèn)題是這么多波形，我們應(yīng)該怎么選擇呢？換個(gè)角度說(shuō)，也就是這么多種類的波形，分別會(huì)使用在什么樣的場(chǎng)景里呢？
1. 正弦波(Sine Wave)
由于正弦波其自身的特點(diǎn)，決定了其通常用于射頻信號(hào)處理、頻率源等應(yīng)用場(chǎng)合。比如要驅(qū)動(dòng)同軸電纜將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí)、要驅(qū)動(dòng)濾波器類的電路時(shí)，或者為實(shí)現(xiàn)整形放大等目的作為三極管和高速運(yùn)放的輸入時(shí)。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(duì)EMI、頻率干擾等有特殊要求時(shí)，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(shí)際應(yīng)用對(duì)諧波、功耗、成本以及具體電路的適配性來(lái)選擇。因?yàn)橄黜斦也ǖ牡凸奶匦?，使其改善了熱特性和頻率穩(wěn)定性能，所以當(dāng)對(duì)這些指標(biāo)以及成本有考量時(shí)，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(shí)鐘波形，主要應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上，用來(lái)驅(qū)動(dòng)相關(guān)電路。比如驅(qū)動(dòng)門電路時(shí)，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(shí)間等指標(biāo)，此時(shí)方波是最好的選擇。而且再進(jìn)一步來(lái)講，門電路的電平也是分為不同的種類，也要據(jù)此來(lái)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(lái)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(chǎng)景的簡(jiǎn)單介紹，只是起到一個(gè)拋磚引玉的作用，關(guān)于晶振的實(shí)際選擇，不是一種非此即彼的選項(xiàng)，往往需要根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)做一些取舍，正所謂魚與熊掌不可兼得。當(dāng)前設(shè)備對(duì)時(shí)鐘晶振類產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，挑戰(zhàn)越來(lái)越大，大普通信有著全時(shí)鐘領(lǐng)域近二十年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，有著非常豐富的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，會(huì)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(chéng)為行業(yè)提供全方位的專業(yè)化服務(wù)。
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