石英晶体利用压电效应产生机械振动，并在谐振频率处形成稳定振荡。从物理特性来看，石英晶体产生的是接近正弦波的模拟信号。

无源晶振（Crystal Resonator）本身并不会输出数字时钟，而是需要配合 MCU 或振荡器芯片内部的放大电路才能持续振荡，所以其输出信号通常为正弦波。有源晶振（Crystal Oscillator）是在晶体之外集成了振荡电路、放大器以及输出缓冲电路。晶体首先产生稳定的正弦振荡信号，再经过内部电路放大和整形，最终输出不同形式的时钟波形。

有源晶振既可以输出方波，也可以输出正弦波，这取决于内部输出结构，而不是石英晶体本身。

为什么大多数有源晶振都采用方波输出？

方波具有清晰的高、低电平，上升沿和下降沿速度快，能够提供较强的驱动能力，因此非常适合作为 MCU、CPU、FPGA、DSP 等数字芯片的时钟源。经过整形后的 CMOS、LVCMOS、LVDS、LVPECL、HCSL 等输出方式，本质上都属于方波输出，只是不同标准在输出电平、驱动能力、传输方式以及抗干扰能力方面有所不同。由于波形边沿变化非常快，会产生较丰富的高次谐波，因此相比正弦波更容易产生电磁干扰EMI，在高速 PCB 设计中需要更加重视阻抗控制和信号完整性。

为什么有些有源晶振仍然采用正弦波输出？

虽然方波已经成为数字电路的主流选择，但在射频通信、测试测量、导航定位以及精密仪器等应用中，仍然可以看到正弦波输出的有源晶振。正弦波几乎只包含基波成分，高次谐波非常少，因此具有更低的相位噪声和更好的频谱纯净度。当系统对 EMI、频率干扰以及频谱质量要求较高时，正弦波输出往往比方波更有优势。

真正弦波（True Sine Wave）：这种输出方式具有非常纯净的频谱，通常采用 50Ω 负载，主要应用于频率源、射频设备、无线通信系统以及各类测试仪器。由于市场需求相对较小，这类产品大多数仍采用直插封装，例如时钟振荡器、压控晶振、温补晶振以及恒温晶振等产品系列。

削峰正弦波（Clipped Sine Wave）：削峰正弦波是在保持较低谐波的同时，对输出幅度进行限制，从而兼顾低功耗和较好的频率稳定性。相比 CMOS 输出，它具有更低的相位噪声和更好的 EMI 性能，因此广泛应用于 GPS、GNSS、北斗定位、LTE 通信以及各种温补晶振（TCXO）产品中。

如何测量晶振输出波形？

无论是方波还是正弦波，都需要通过专业仪器进行测量和验证。对于有源晶振来说，通常需要使用晶体振荡器测试仪对输出频率、输出电压、占空比、上升时间、下降时间以及其他电性能参数进行检测。KOAN晶振实验室采用 S&A280B 晶振测试设备，可对石英晶体振荡器的输出波形及各项性能参数进行全面分析。示波器能够直观显示输出波形是否正常，同时观察上升沿、下降沿、过冲、振铃以及抖动等现象，从而快速分析时钟信号质量。

为什么示波器带宽如此重要？

同一颗晶振在不同示波器上显示出来的波形并不完全一致，其中最主要的原因就是示波器带宽不足。对于方波来说，真正决定波形质量的是高速边沿，而高速边沿实际上包含了大量高频成分。如果示波器带宽不够，这些高频信号会被滤掉，最终显示出来的波形会出现边沿变缓、幅值降低甚至失真的情况。理论上，示波器带宽至少应达到被测信号频率的两倍，才能完成基本测量。但在工程实践中，为了更加准确地观察方波边沿和抖动，通常建议示波器带宽达到被测晶振频率的十倍左右。这样才能较真实地反映晶振输出信号的实际状态，为高速电路调试提供可靠依据。

如何选择合适的输出波形？

如果系统主要是 MCU、FPGA、工业控制或普通数字电路，通常选择 CMOS 等方波输出即可，具有驱动能力强、成本低、应用广泛等优势。如果应用属于高速通信、服务器、光通信或者高速接口，则更适合选择 LVDS、LVPECL 或 HCSL 等差分输出方式，以获得更好的信号完整性和抗干扰能力。如果系统更加关注低相位噪声、低 EMI 或频谱纯净度，例如 GPS、射频设备、测试测量仪器以及高精度频率源，则可以优先考虑 True Sine 或 Clipped Sine 输出产品。

KOAN晶振提供普通时钟振荡器（XO）、温补晶振（TCXO）、压控晶振（VCXO）以及恒温晶振（OCXO）等多种产品系列，可支持 CMOS、LVDS、LVPECL、HCSL、True Sine、Clipped Sine 等多种输出方式，满足工业控制、通信设备、消费电子、汽车电子及高端射频应用对时钟源的不同需求。