晶体（二）：差分晶振

一、定义

差分晶振是一种有源晶体振荡器，输出差分信号（由两个相位相反、幅度相等的信号组成），从而消除了共模噪声，具有抗干扰能力强、对参考电平完整性要求较弱、抑制串扰、EMI 能力强、功耗小、速率高、不受温度和电压波动影响等优势。
差分晶振有多种输出类型，如 LVPECL、LVDS 和 HCSL等。

不同时钟逻辑类型的共模电压和摆幅电平如下表所示：

规格	LVPECL	LVDS	CML （Terminated 50Ω to Vcc）	HCSL
VCM	VCC-1.4V	1.2V	VCC-0.2V	350mV
VSWING_SE	800mV	325mV	400	700mV
VOH	VCC-1V	1.3625V	VCC	700mV
VOL	VCC-1.8V	1.0375V	VCC-0.400V	0V
Reference	VCC	Ground	VCC	Ground

注： VCM：共模电压
VSWING_SE：单端摆幅

二、输出模式

1）LVPECL模式

LVPECL (Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic—低电压正发射极耦合逻辑）是主要的差分输出之一。它通过避免晶体管饱和，实现更快的开关速度，并配备恒定电流源驱动器。由于大电压摆动（通常为 600-1000mV），LVPECL 具有卓越的抖动性能，从而输出低噪声信号，适用于PON、显卡、光模块、智能网卡等。
LVPECL 负载一般考虑是通过 50Ω 接到 Vcc-2V 的电源上，一般该电源是不存在的，通常的做法是利用电阻分压网络做等效电路，LVPECL 模式输出结构电路如下图所示：

2）LVDS模式

LVDS （Low Voltage Differential Signaling—低电压差分信号）可同时提供低功耗和低电磁干扰 (EMI)组合，由于电压摆幅较小（通常为350mV），相比 LVPECL 差分输出模式功耗更低，负载阻抗为 100Ω 的差分线上的电流一般不超过 4mA，使其不易受噪声影响，在音视频处理器、服务器、路由器和交换机等应用中非常重要。
LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能够在差分PCB 线对或平衡电缆上以百Mbps的速率传输，其低电压幅度、低电流驱动输出使其具备低噪声、低功耗的特性。LVDS标准输出负载为差分形式，阻抗为100Ω，LVDS 模式输出结构电路如下图所示：

3）HCSL模式

HCSL （High-speed Current Steering Logic—高速电流驱动逻辑）是一种高速差分信号，通常在较低的电压水平工作，在90年代末开始用于高速串行计算机扩展总线标准（PCI Express）参考时钟。其特点包括极低的抖动和功耗，使得该类晶振广泛应用于系统内部的高速串行通信、时钟分配和数据通路等对速度、功耗、性能要求高的场景。
HCSL 输出结构由 14mA 开关电流源驱动，通常通过 50Ω 电阻接地，标称信号摆幅为700mV，输出端的开漏晶体管在几千欧姆范围内具有相当高的阻抗，电路如下图所示：

三、波形类型

目前差分晶振输出波形主要分为正弦波、方波、准正弦波三类。常用的差分晶振输出都是方波，输出功率高，驱动能力强，但谐波成分多

1）正弦波

对于晶振输出波形，通常无源晶振输出波形是正弦波，有源晶振输出波形是方波，一小部分是正弦波。由于有源晶振中增加了整形电路，输出为方波，很少使用正弦波。一般采用方波输出(大部分时候在示波器上看到的是波形很差的正弦波，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。这是因为方波的傅里叶分解是基频和奇次谐波的叠加。如果带宽不够，就只剩下基频 20MHz 和 60MHz 的谐波，所以显示正弦波。方波的完美再现至少需要 10 倍的带宽，5 倍的带宽只能算勉强，所以需要至少 100M 的示波器。

2）方波

方波主要用于数字通信系统的时钟，用来驱动纯计数电路或门电路。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和频率干扰有特殊要求的电路，这类电路要求输出的高次谐波分量很小；后面模拟电路选择正弦波也是不错的选择。通常需要提供谐波、噪声、输出功率等指标。
方波输出功率大，驱动能力强，但谐波成分丰富；正弦波的输出功率不如方波，但其谐波分量要小得多。有源晶振的频率输出必须有一定的波形作为输出载波，波形的输出必须伴随一定的负载值。在实际使用中，波形负载也是晶振的一个非常重要的参数指标。选择不当可能导致晶振或其他模块运行异常，功能失效，损坏模块甚至整机。

3）准正弦波

准正弦波也分几种，从几乎和方波一样的方波到更接近正弦波的圆角梯形波。PECL是高速领域中非常重要的逻辑电路。具有电路速度快、驱动能力低、噪声低、频率高的优点。但是功耗高，不同级别驱动不了。如果使用低压3.3V/2.5V电源，则称为LVPECL，即低压PECL。LVDS可以用高速、低噪音、长距离、准确传输来解决这些问题。LVDS的最高输出频率为2.1GHz，电压为1.833V HCSL具有最小的输出抖动和较高的功耗。