超全的有源晶體信號類型與端接入門資料
　　在接觸石英晶振這個行業之后,刷新了我對這個領域的認識,因為一顆小小的電子元器件,從選料,設計,生產,加工,制造等多個方面都有很多需要了解的,但是今天我們暫時不談這些.現在有越來越多的制造型企業和工廠大量采用有源的石英晶體振蕩器,這是一種性能比普通晶體要高許多的頻率元件,而且不用外部接入電源就能振蕩工作.擁有多種不同的輸出信號邏輯,也就是我們常說的輸出方式,主要作用是組成更高性能的系統,同時還能消除共模噪聲.
介紹:
　　CMOS,HCMOS,LVCMOS,正弦波,限幅正弦波,TTL,PECL,LVPECL,LVDS,CML…振蕩器和頻率控制器件具有一系列不同的輸出緩沖器類型,每種類型都有其優點和缺點.本應用筆記的目的是為每種類型提供一些背景知識,并為端接具有此類輸出的設備的某些方法提供建議.

圖1.多種常見輸出類型所涵蓋的近似電壓范圍

需要正確理解信號類型和端接:
　　印刷電路板走線的行為就像傳輸線一樣,可以過濾時鐘信號,使時鐘信號沿走線的長度方向衰減并失真.較高頻率的時鐘信號更容易受到衰減,失真和噪聲的影響,但是最好采用較高的壓擺率來改善抖動時鐘邊緣,這給實現時鐘解決方案帶來了挑戰.
為了正確實現高質量的時鐘源,應考慮以下因素:
　　•彼此隔離時鐘源
　　•充分利用正確的接地和電源濾波
　　•使用短PCB走線作為時鐘信號
　　•將要計時的設備放置在盡可能靠近時鐘的地方
　　•確保為您的應用選擇了正確的時鐘輸出類型.
　　•確保輸出驅動器正確端接并且采用阻抗匹配技術.
　　最后兩點是應用筆記的主題.如果走線沒有正確終止,則會發生反射和衰減.反射會增加抖動,而衰減會進一步降低時鐘波形和整體性能.保持信號完整性對于實現低相位噪聲石英晶體振蕩器的性能至關重要.
單端輸出系列:
　　正弦波和修剪正弦波
　　正弦波輸出是晶體振蕩器電路的“自然”輸出,通常代表一個振蕩器可以預期的最大頻譜純度.根據定義,純正弦波僅具有單個或基本頻率,并且在理想情況下不存在諧波.與其他輸出類型不同,沒有與其他正弦波輸出相關的“標準”輸出電平,正弦輸入的波形(對于給定頻率)僅由幅度定義,通常表示為以dBm為單位的輸出功率.正弦波輸出旨在驅動50歐姆阻抗負載,PC走線也應設計為50歐姆阻抗.大多數邏輯輸出源均來自正弦波或限幅正弦波源,這會降低相位噪聲性能-正弦波輸出是要求苛刻的低相位噪聲應用的理想選擇.
　　受限制的正弦波是通過限制正弦波輸出而形成的,以最大和最小范圍“隔離”該波.以這種方式限制正弦波會引入額外的諧波,從而降低波形的頻譜純度,但可以提供一種手段,以利用系統中不能承受大幅度正弦波全擺幅的快速上升和下降沿.削波的正弦波器件比全數字邏輯輸出消耗的功率更少,因此,在TCXO溫補晶振設計中很流行,其中CMOS級的額外功耗會影響IC中的熱梯度.削波的正弦波TCXO旨在驅動10pF的10K負載.
CMOS,HCMOS和LVCMOS
　　CMOS是互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的首字母縮寫,這意味著該設備(緩沖器)由p溝道和n溝道晶體管構成.

圖2.終止CMOS驅動器的最常用方法,適用于短走線長度

　　CMOS信號通過具有50歐姆阻抗走線的底板分布到一個或多個高阻抗接收器中.因此,存在阻抗失配.有多種方法可以解決這種阻抗匹配問題,但是在此和“軌到軌”擺幅的繼承極限之間,CMOS輸出適合于較低頻率的時鐘源(低于200MHz)和較短的走線長度(小于時鐘的1/4).最高諧波頻率的波長)不易受到阻抗匹配問題的影響.對于較低的頻率和較短的走線,可以使用時鐘輸出和接收器輸入之間的直接連接.但是在大多數情況下,將使用低電阻(例如20-50歐姆)的串聯電阻,該電阻在減少反射和保持信號完整性方面非常有效.參見圖2.其他阻抗匹配方法如圖3和4所示,但這些方法會增加功耗.

圖3和4.端接CMOS的替代方法

　　HCMOS代表高速CMOS,是原始CMOS上更高速度的變體-HCMOS和CMOS在振蕩器世界中經常可以互換.LVCMOS代表低壓CMOS,顧名思義,它是CMOS的低壓類別.ACMOS代表“高級CMOS”.由于這些縮寫經常互換使用,因此Vectron建議使用上升/下降時間,輸出驅動或負載要求以及Voh/Vol來指定振蕩器,而不是通過CMOS,HCMOS,ACMOS,LVCMOS等術語來定義要求.
TTL
　　晶體管到晶體管邏輯(TTL)曾經是最常見的I/O標準之一.TTL使用+5V或3.3V電源供電,與CMOS相比,一次具有更高的傳輸速度,高達100MHz.此外,由于晶振輸出頻率較高時功耗不會急劇變化,因此它更受歡迎.TTL輸出也可以使用針對CMOS信號所述的方法進行處理.在1980年代,CMOS器件因其低(零)靜態電流,良好的抗噪性,改善的上升/下降時間和較低的制造成本而變得更加流行,尤其是對于大規模集成而言.CMOS已取代TTL,成為低頻時鐘IC的首選.
　　CMOS和TTL的主要好處是低功耗,較高的輸出擺幅以及在硅中實現的成本相對較低.但是,差分信號用于更高的頻率.
差分邏輯系列:
　　單端信號傳輸技術可能容易受到噪聲的影響.這可以通過增加電壓來克服,但是這會增加功耗,并且由于電壓擺幅而導致速度降低.單端傳輸線也傾向于衰減信號.再次可以通過增加傳輸電壓來克服.差分緩沖器通過為每個發送的比特傳輸一對互補信號(相反極性)來克服這些困難.接收器檢測到兩個信號之間的差異,并且兩個信號共有的任何噪聲都被拒絕.差分傳輸技術具有較高的抗噪能力,因此受線路衰減的影響較小,因此對于在較長的線路長度上以較高的數據速率進行傳輸非常理想.
ECL(單端或差分):
　　引入了發射極耦合邏輯(ECL)作為TTL邏輯的替代方法,因為它更適合于高速數據傳輸.發射極耦合邏輯電路使用晶體管控制電流流經計算邏輯功能的門.由于晶體管始終處于有源區域,因此它們可以非常快速地改變狀態,因此ECL電路可以以很高的速度運行.
　　ECL有兩個缺點.首先,ECL需要相對較高的電流才能運行.其次,ECL依靠負電源運行.與駐留在系統其余部分中的基于正電源的設備連接時,可能會導致問題.但是參考地面,可能會帶來噪音優勢.
PECL,LVPECL:
　　LVPECL和PECL都是1960年代首次引入的較舊ECL技術的分支.PECL代表正發射極耦合邏輯,因為它以5、3.3V或2.5V等正電壓工作.PECL邏輯輸出通常用于高速時鐘分配電路.PECL作為一種差分傳輸方案,具有高抗噪性和在長線長度上驅動高數據速率的能力.PECL的另一個優點是由于電壓擺幅大而具有良好的抖動性能.缺點包括由于需要5V電源和外部DC偏置而導致的大功耗(與單端電源相比).
　　低壓PECL(LVPECL)是指設計用于3.3V或2.5V電源的PECL電路,其電源電壓與低壓CMOS器件相同.LVPECL構成許多協議的基礎,LVPECL的電氣規格與LVDS相似,但在較大的差分電壓擺幅下工作.LVPECL差分晶體由于其ECL起源和較大的擺幅而往往比LVDS的功率效率低一些,但是由于其ECL特性,它也可以在高達10Gbps的頻率下工作.
　　LVPECL輸出電流通常為15mA,這是從一個開路發射極得出的.這要求終止于電阻性負載以產生電壓.LVPECL的目的是使用50歐姆阻抗走線和50歐姆瑟恩等效負載.通常使用圖5來實現,而替代方案如圖6所示.為了獲得最佳性能,應使用相同的方法來平等地終止輸出-永遠不要讓未使用的輸出懸空.同樣,來自不同制造商的差分接收器可以具有不同的輸入容差(同時仍圍繞一個通用標準聚集).根據接收器的要求做一些功課也可以幫助優化您要終止的信號的傳輸.

圖5.LVPECL終止的最常用方法.圖6.另一種LVPECL終止方案

CML:
　　電流模式邏輯(CML)輸出可提供與LVPECL相似的性能,但不需要外部偏置,因此當需要LVPECL類型的輸出但需要考慮功耗時,可以選擇CML.CML輸出需要交流耦合,因為它們不能提供足夠的電流來偏置其他器件.
LVDS:
　　LVDS代表低壓差分信號,類似于LVPECL的電流輸出,但是輸出電流為4mA,與LVPECL相比,功耗更低.LVDS輸出具有100ohm的輸出阻抗,旨在驅動100ohm的負載或電阻,這導致較小的電壓擺幅,典型值為?350mV.
　　與CMOS和TTL相比,LVDS降低了對噪聲的敏感性,降低了EMI輻射.LVDS的一個缺點是與PECL相比其抖動性能降低.但是,它正在取得進步,使其與LVPECL成為一個公平的競爭環境.
　　LVDS用于高速數據傳輸應用,尤其是背板收發器或時鐘分配.LVDS的數據速率高達3.125Gbps.為了獲得更高的數據速率,需要輸出諸如HCSL,CML或LVPECL.要實現這些非常高的數據速率,需要非常快的尖銳速率,并且通常需要大約800mV的信號擺幅.由于這種HCSL,CML和LVPECL通常比LVDS需要更多的功率.
　　LVDS差分晶振通常被選擇用于較新的設計,因為它易于在CMOSIC中實現并且在系統級易于使用.當連接到LVDS輸入時,LVDS輸出不需要外部偏置和單個100Ω終端電阻,請參見圖7.負載100歐姆后,LVDS信號可能需要交流耦合,也可能不需要交流耦合-最好了解接收器的輸入結構要求.

圖7.終止LVDS.通常,接收器包括片上端接,不需要額外的100歐姆電阻.

HCSL:
　　高速電流控制邏輯(HCSL)輸出可在PCIExpress應用和英特爾芯片組中找到.HCSL是一種較新的差分輸出標準,類似于LVPECL,其15mA電流源來自開路發射極或源極.作為無端接的漏極,它們需要外部50ohm電阻接地,如圖8所示.HCSL是具有快速切換時間的高阻抗輸出,使用如圖9所示的10至30ohm串聯電阻可能是有利的.,以幫助減少過沖/振鈴.HCSL提供最快的開關速度,功耗介于LVDS和LVPECL之間,并且相位噪聲性能與替代技術相當.與往常一樣,最佳實踐是了解接收器的輸入結構.

圖8.單電阻器端接方案.圖9.在某些情況下,使用10-30歐姆串聯電阻可幫助減少過沖.

　　網絡上關于石英晶體振蕩器輸出方式的資料很多,但很少有十分全面的,因此康華爾電子整理了這份全網最詳細,最完整的晶振輸出入門級資料,幫助大家更加了解什么是振蕩器,了解越多對晶振的使用越有利.作為一家專業的晶振廠家和供應商,康華爾電子歡迎大家來討論,如果想了解更多相關的資料或技術,歡迎到我司官網留言:http://m.mrncp.com/.
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