晶振输出波形之正弦波和方波

晶振(XO)输出波形(Output Type)是与封装尺寸一样重要的一个技术指标，这些输出波形可简单归为两种：正弦波、方波。

在示波器上观察振荡器波形，虽然很多时候看到的还是不太好的正弦波，那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。要完美再现方波需要至少10倍的带宽，5倍的带宽只能算是勉强，需要至少100M的示波器。

图1. 晶振厂商规格书截图

相较而言，方波输出功率大，驱动能力强，但谐波分量多，正弦波输出功率不如方波，但其谐波分量小很多。同时，两种波形还有各种不同的表现形式，分别适合不同的应用。

1.方波输出模式

数字通信系统中，一般采用方波输出模式的晶体振荡器，以匹配系统中驱动的负载。这些方波的通用输出类型有TTL和CMOS，还有LVPECL和LVDS，主要指标有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等。

(1)TTL输出

TTL是晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic)电路，传输延迟时间快、功耗高，属于电流控制器件。

(2)CMOS输出

CMOS输出是最常见一种，属于属于电压控制形式，用来驱动逻辑电平输入。

图2. 晶振的CMOS输出波形

CMOS输出的传输延迟时间慢、功耗低，相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LVTTL，出现了LVCMOS，可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。HCMOS采用全静态设计、高速互补金属氧化物半导体工艺，CMOS采用互补金属氧化物半导体。

(3)LVPECL输出

LVPECL是低压正发射极耦合逻辑(Low-Voltage Positive Emitter-Couple Logic)。ECL电路速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百MHz的应用，但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECL结构，改用正电压供电)和LVPECL的输出模式。

图3. 晶振的LVPECL输出波形

LVPECL由ECL和PECL发展而来，其典型输出为一对差分信号，射极通过一个交流源接地。ECL、PECL、LVPECL使用时应注意：不同电平不能直接驱动，中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。

这三种结构必须有电阻拉到一个直流偏置电压。例如，用于时钟的LVPECL直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉;交流匹配时用82欧上拉，同时用130欧下拉，但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。

(4)LVDS输出

LVDS是低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling)，为差分对输入输出，内部有一个3.5-4mA恒流源，在差分线上改变方向和电平来表示“1”和“0”。

通过外部的100欧匹配电阻(并接在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。LVDS使用注意：可以达到600MHz以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm);100欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在300mil以内。

图4. 晶振的LVDS输出波形

LVDS的应用模式可以有三种形式：

(1)单向点对点和双向点对点，能通过一对双绞线实现双向的半双工通信。

(2)多分支形式，即一个驱动器连接多个接收器(当有相同的数据要传给多个负载时，可以采用这种应用形式)。

(3)多点结构，此时多点总线支持多个驱动器，也可以采用BLVDS驱动器，它可以提供双向的半双工通信，但是在任一时刻，只能有一个驱动器工作，因而发送的优先权和总线的仲裁协议都需要依据不同的应用场合，选用不同的软件协议和硬件方案。

2. 正弦波输出模式

正弦波(Sine Wave)主要用于对EMI、频率干扰有特殊要求的电路，例如驱动RF组件、混频器或其它具有50Ω输入阻抗的器件。这时，振荡器产生的输出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之间，尽管如果需要可以输出更高功率。

还有一种特殊的削顶正弦波(Clipped Sine Wave)，相比方波的谐波分量少很多，但驱动能力较弱，在负载10K//10PF时Vp-p为0.8Vmin。SMD 7050、SMD5032、SMD3225等封装的表贴温补晶振通常使用这种形式的输出波形。

正弦波输出模式通常有谐波、噪声和输出功率等指标要求。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。

在厂商提供的晶振规格书里，除了输出模式或输出格式这个指标外，通常还附带相应的波形样式、输出负载和测试电路，有的晶振还兼容TTL、CMOS两者格式，应用灵活多样。

审核编辑：汤梓红