晶振的3种输出波形,你了解吗?
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晶振的3种输出波形,你了解吗?

作者:扬兴晶振
日期:2019年09月05日 18:11
浏览量:565
  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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