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晶振的輸出波形:TTL、CMOS、LVPECL、LVDS和正弦波

SJK晶科鑫 ? 2022-08-31 10:47 ? 次閱讀

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。

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。

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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。

poYBAGMOsO2Af4jaAAEGw0Zj9BA433.png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。

poYBAGMOt9aARjIqAACRIjN5mUc126.jpg?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?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/137/" target="_blank">芯片進(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)。

poYBAGMOt9aARNLNAAB1Os1INQA544.jpg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。
廠商提供的晶振規(guī)格書里,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。

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