晶振(XO)輸出波形(Output Type)設(shè)計(jì)

晶振(XO)輸出波形(Output Type)是與封裝尺寸一樣重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，這些輸出波形可簡(jiǎn)單歸為兩種：正弦波、方波。

在示波器上觀察振蕩器波形，雖然很多時(shí)候看到的還是不太好的正弦波，那是由于示波器的帶寬不夠。例如：有源晶振20MHz，如果用40MHz或60MHz的示波器測(cè)量，顯示的是正弦波，這是由于方波的傅里葉分解為基頻和奇次諧波的疊加，帶寬不夠的話，就只剩下基頻20MHz和60MHz的諧波，所以顯示正弦波。要完美再現(xiàn)方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強(qiáng)，需要至少100M的示波器。

圖1. 晶振廠商規(guī)格書(shū)截圖

相較而言，方波輸出功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但諧波分量多，正弦波輸出功率不如方波，但其諧波分量小很多。同時(shí)，兩種波形還有各種不同的表現(xiàn)形式，分別適合不同的應(yīng)用。

1.方波輸出模式

數(shù)字通信系統(tǒng)中，一般采用方波輸出模式的晶體振蕩器，以匹配系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。這些方波的通用輸出類型有TTL和CMOS，還有LVPECL和LVDS，主要指標(biāo)有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等。

(1)TTL輸出

TTL是晶體管-晶體管邏輯(Transistor-Transistor Logic)電路，傳輸延遲時(shí)間快、功耗高，屬于電流控制器件。

(2)CMOS輸出

CMOS輸出是最常見(jiàn)一種，屬于屬于電壓控制形式，用來(lái)驅(qū)動(dòng)邏輯電平輸入。

圖2. 晶振的CMOS輸出波形

CMOS輸出的傳輸延遲時(shí)間慢、功耗低，相對(duì)TTL有了更大的噪聲容限，輸入阻抗遠(yuǎn)大于TTL輸入阻抗。對(duì)應(yīng)3.3V LVTTL，出現(xiàn)了LVCMOS，可以與3.3V的LVTTL直接相互驅(qū)動(dòng)。HCMOS采用全靜態(tài)設(shè)計(jì)、高速互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，CMOS采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。

(3)LVPECL輸出

LVPECL是低壓正發(fā)射極耦合邏輯(Low-Voltage Positive Emitter-Couple Logic)。ECL電路速度快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，噪聲小，很容易達(dá)到幾百M(fèi)Hz的應(yīng)用，但是功耗大，需要負(fù)電源。為簡(jiǎn)化電源，出現(xiàn)了PECL(ECL結(jié)構(gòu)，改用正電壓供電)和LVPECL的輸出模式。

圖3. 晶振的LVPECL輸出波形

LVPECL由ECL和PECL發(fā)展而來(lái)，其典型輸出為一對(duì)差分信號(hào)，射極通過(guò)一個(gè)交流源接地。ECL、PECL、LVPECL使用時(shí)應(yīng)注意：不同電平不能直接驅(qū)動(dòng)，中間可用交流耦合、電阻網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ眯酒M(jìn)行轉(zhuǎn)換。

這三種結(jié)構(gòu)必須有電阻拉到一個(gè)直流偏置電壓。例如，用于時(shí)鐘的LVPECL直流匹配時(shí)用130歐上拉，同時(shí)用82歐下拉;交流匹配時(shí)用82歐上拉，同時(shí)用130歐下拉，但兩種方式工作后直流電平都在1.95V左右。

(4)LVDS輸出

LVDS是低電壓差分信號(hào)(Low-Voltage Differential Signaling)，為差分對(duì)輸入輸出，內(nèi)部有一個(gè)3.5-4mA恒流源，在差分線上改變方向和電平來(lái)表示“1”和“0”。

通過(guò)外部的100歐匹配電阻(并接在差分線上靠近接收端)轉(zhuǎn)換為±350mV的差分電平。LVDS使用注意：可以達(dá)到600MHz以上，PCB要求較高，差分線要求嚴(yán)格等長(zhǎng)，差最好不超過(guò)10mil(0.25mm);100歐電阻離接收端距離不能超過(guò)500mil，最好控制在300mil以內(nèi)。

圖4. 晶振的LVDS輸出波形

LVDS的應(yīng)用模式可以有三種形式：

(1)單向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，能通過(guò)一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)雙向的半雙工通信。

(2)多分支形式，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接多個(gè)接收器(當(dāng)有相同的數(shù)據(jù)要傳給多個(gè)負(fù)載時(shí)，可以采用這種應(yīng)用形式)。

(3)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，此時(shí)多點(diǎn)總線支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，也可以采用BLVDS驅(qū)動(dòng)器，它可以提供雙向的半雙工通信，但是在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器工作，因而發(fā)送的優(yōu)先權(quán)和總線的仲裁協(xié)議都需要依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選用不同的軟件協(xié)議和硬件方案。

2. 正弦波輸出模式

正弦波(Sine Wave)主要用于對(duì)EMI、頻率干擾有特殊要求的電路，例如驅(qū)動(dòng)RF組件、混頻器或其它具有50Ω輸入阻抗的器件。這時(shí)，振蕩器產(chǎn)生的輸出功率通常在0dBm到+13dBm(1mW到20mW)之間，盡管如果需要可以輸出更高功率。

還有一種特殊的削頂正弦波(Clipped Sine Wave)，相比方波的諧波分量少很多，但驅(qū)動(dòng)能力較弱，在負(fù)載10K//10PF時(shí)Vp-p為0.8Vmin。SMD 7050、SMD5032、SMD3225等封裝的表貼溫補(bǔ)晶振通常使用這種形式的輸出波形。

正弦波輸出模式通常有諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)要求。這種電路要求輸出的高次諧波成分很小，后面有模擬電路選用正弦波也是比較好的選擇。

在廠商提供的晶振規(guī)格書(shū)里，除了輸出模式或輸出格式這個(gè)指標(biāo)外，通常還附帶相應(yīng)的波形樣式、輸出負(fù)載和測(cè)試電路，有的晶振還兼容TTL、CMOS兩者格式，應(yīng)用靈活多樣。