晶振的3種輸出波形，你了解嗎?

作者： 揚興科技 日期：2021-09-27 瀏覽量：

  對于晶振輸出波形，相信一部分人可能認為只有兩種波形，即無源晶振輸出波形為正弦波，有源晶振輸出波形為方波，小部分為正弦波。

  由于在有源晶振內(nèi)部加了整形電路，所以輸出是方波，正弦波一般用的很少，普遍用的都是方波輸出(很多時候在示波器上看到的還是波形不太好的正弦波，這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。完美的再現(xiàn)方波需要至少10倍的帶寬，5倍的帶寬只能算是勉強，所以需要至少100M的示波器。)。

  方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，用來驅(qū)動時純計數(shù)電路或門電路，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時間、驅(qū)動能力等幾個指標要求。正弦波主要用于對EMI、頻率干擾有特殊要求的電路，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。通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標。方波輸出功率大，驅(qū)動能力強，但諧波分量豐富;正弦波輸出功率不如方波，但其諧波分量小很多。

  有源晶振的頻率輸出必定要有某個波形作為輸出載體，波形的輸出也必定會伴隨著某個負載值。在實際使用中，波形負載也是晶振的非常重要參數(shù)指標。選擇不當?shù)脑挘p則導致晶振或其他模塊工作不正常，功能無法實現(xiàn)，重則損壞模塊甚至整機。

  晶振的輸出波形主要有三大類：正弦波、方波和準正弦波。

  晶振負載主要有以下幾種：

  （1）正弦波：負載50歐姆或1k歐姆;

  （2）方波：N個TTL負載或N個PF電容;

  （3）準正弦波：10K歐姆并聯(lián)10PF電容;

  此外還有差分輸出PECL、LVDS等高頻(100MHz以上)常用的，實際使用中晶振的輸出一般用于驅(qū)動以下電路形式：

  1、同軸電纜類的長線輸出;

  2、濾波器類的電路的輸出;

  以上兩種電路一般適用于50歐姆的負載。這是因為以上兩種電路一般需要50歐姆負載作匹配，在射頻領(lǐng)域還有75歐姆、300歐姆等特征阻抗，需要時要加以說明。此類的輸出波形最適合的為正弦波，正弦波經(jīng)過長線傳輸后波形只是幅度有所衰減，波形并不會有畸變。

  3、門電路的輸入;

  要驅(qū)動門電路，需要講究高電平、低電平、占空比、上升時間、下降時間等指標，否則難以順利驅(qū)動。因此方波是最適合的波形。門電路也有TTL和CMOS門的區(qū)分，但目前主流的電路都實現(xiàn)了TTL/CMOS的兼容，作為高阻抗的輸入，其輸入的電阻成分阻值很大，但具有一定的容性阻抗。例如典型的74HC04與非門的輸入阻抗約為3.5PF(有時候晶振輸出不止驅(qū)動一個門，因此方波負載一般為15PF，這樣可以驅(qū)動3~4個門，有種高驅(qū)動能力的重負載為50PF，可以驅(qū)動十幾個門)。

  4、取代晶體諧振器作為振蕩電路的輸入

  在很多電子芯片中都可以直接使用晶體諧振器做為時鐘脈沖產(chǎn)生器，如果要求更高質(zhì)量的時鐘，也會用到晶體振蕩器。例如常用的單片機AT89C51，其管腳XTAL1和XTAL2本是用來接晶體諧振器的(另外需要2個電容)，如果用來接晶體振蕩器：分析其內(nèi)部電路可知，XTAL1腳為其內(nèi)部振蕩電路的輸入端，輸入阻抗很高，放大倍數(shù)很大，因此較小的波形就可以使其觸發(fā)工作(峰值100mV~1V)，特別適合于準正弦波的驅(qū)動。正弦波輸出的晶振也可以對其驅(qū)動，但需要在輸入端加阻抗匹配電阻，對晶振的輸出也是一種浪費。方波輸出的晶振也可以對其驅(qū)動，但因方波輸出幅度太大，存在過驅(qū)動的嫌疑，過驅(qū)動的壞處就是會使時鐘電路的噪聲變大，如果對噪聲不敏感，也可以這樣用。方波輸出的晶振最好接入XTAL2管腳，XTAL2管腳是門電路輸入和輸出的并聯(lián)，其輸入阻抗較低，需要的驅(qū)動電平較大(至少要達到TTL電平低電平小于0.4V，高電平大于2.4V的標準)。用正弦波或準正弦波需要其帶負載時峰峰值達到2V以上才可以。說明：接晶體振蕩器時，管腳上的2個電容一般是不需要的。

  5、三極管、高速運放電路的輸入

  有時候用戶為實現(xiàn)整形、放大等目的，用三極管、高速運放對晶振波形進行處理，這種情況下負載阻抗一般不是太重，用正弦波的波形最為合適。需要提供負載、波形幅度等參數(shù)。

  6、對EMI、頻率干擾有特殊要求的電路

  這種電路要求輸出的高次諧波成分很小，因此不管驅(qū)動的是什么電路，都以正弦波為最好。

  方波輸出分為：TTL電平和CMOS電平在：

  TTL電平輸入低電平<=0.8V，高電平>=2.0V;輸出低電平<0.4V，高電平>2.4V，最大低電平和最小高電平之間是無效電壓;

  CMOS電平輸入低電平<0.3Vcc，輸入高電平>0.7Vcc，輸出低電平<0.1Vcc(接近于0)，輸出高電平>0.9Vcc(接近于電源電壓)。
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