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        晶振的三類輸出波形

        發布時間: 2021/7/19 11:40:04 | 33 次閱讀

        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。)。
        方波主要用于數字通信系統時鐘上,用來驅動時純計數電路或門電路,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指標。選擇不當的話,輕則導致晶振或其他模塊工作不正常,功能無法實現,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zui適合的為正弦波,正弦波經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,否則難以順利驅動。因此方波是zui適合的波形。門電路也有TTL和CMOS門的區分,但目前主流的電路都實現了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動一個門,因此方波負載一般為15PF,這樣可以驅動3~4個門,有種高驅動能力的重負載為50PF,可以驅動十幾個門)。
        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生器,如果要求更高質量的時鐘,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:分析其內部電路可知,XTAL1腳為其內部振蕩電路的輸入端,輸入阻抗很高,放大倍數很大,因此較小的波形就可以使其觸發工作(峰峰值100mV~1V),特別適合于準正弦波的驅動。正弦波輸出的晶振也可以對其驅動,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動,但因方波輸出幅度太大,存在過驅動的嫌疑,過驅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zui好接入XTAL2管腳,XTAL2管腳是門電路輸入和輸出的并聯,其輸入阻抗較低,需要的驅動電平較大(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zui為合適。需要提供負載、波形幅度等參數。
        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,因此不管驅動的是什么電路,都以正弦波為zui好。
        方波輸出分為:TTL電平和CMOS電平在:
        TTL電平輸入低電平=2.0V;輸出低電平2.4V,zui大低電平和zui小高電平之間是無效電壓;
        CMOS電平輸入低電平0.7Vcc,輸出低電平0.9Vcc(接近于電源電壓)。

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