你知道吗？电子设备有如同人类心跳的时钟信号，它是芯片工作的 “心跳”，像不停的钟摆，周期性产生0和1，以时间为横轴、信号值为纵轴呈现，是在0和1间均匀交替的方波，类似心电图。
对数字芯片，时钟信号至关重要，原因有二。其一，它能让芯片内电路和组件同步，如同管弦乐团需指挥，众多演奏不同乐器的音乐家各自随意演奏会杂乱无章，有指挥依统一节奏，才能琴瑟和鸣。数字芯片含成百上千模块组件，靠时钟信号指挥、同步，完成复杂功能，而且多芯片间，像万物互联时代手机、电脑联网通信、传数据，也需它同步，确保收发准确，类似交响乐队加合唱团需指挥协调。
其二，时钟信号决定数字电路运行速度。通常，它越快，芯片运行越快，用频率衡量其快慢，指每秒产生0和1时钟脉冲数量，如手机、电脑 CPU 运行的几 GHz，就是时钟信号每秒0和1切换次数，可达几亿甚至十几亿次。就像唱民谣慢悠悠、吐字频率低，唱 rap 一分钟噼里啪啦几十个字、频率高，数字芯片频率越高，一秒执行任务越多，性能越高，所以游戏玩家给 CPU 超频求更高游戏性能。
时钟之源：晶振的奥秘接下来，咱们就详细讲讲数字电路中时钟是如何产生的，满满的都是干货，大家可以收藏起来慢慢看。
在数字电路里，通常有个特殊的元器件叫晶体振荡器，简称晶振。它一般是由晶体放大器以及像电容、电阻这类无源元件组成的。这里的晶体可不是咱们玩游戏时说的 “水晶” 哦，而是一种由石英（也就是二氧化硅）这种压电材料制成的晶体。
那什么是压电材料呀？它就是能够实现电能和机械能相互转换的老材料。就是说，当晶体发生机械变形时，它会产生电压；而当给它施加电压时，它又会膨胀或者收缩。当把石英晶体切割、抛光到精确规格的时候，它就能以非常稳定且精确的频率进行震动啦。利用这个特性，我们就能用石英晶体来制作时钟的信号源了，这就是晶振的工作原理。
简单来说，就是给晶体施加电压，它会以自身的自然谐振频率产生震动，然后通过震动产生交变的电场，这个电场再经过外围的放大电路进行放大，就产生了在0和1之间不断变化的老电信号。
前面提到的那些无源元件，主要是用于调谐晶体的谐振频率，并且给放大器提供一个反馈回路。这个反馈回路有助于维持震荡的稳定性，保证时钟信号随着时间的推移能一直准确、一致，最终产生稳定的时钟频率。
晶振可以说是数字电路中最常见的老时钟源了，它的优点不少，比如稳定性特别好，一旦制作完成，就不容易受环境影响，产生的时钟信号质量也要比基于无源元件的 RC 和 LC 震荡电路好得多。
晶振短板：亟待突破的困境不过呀，即便晶振有这么多优点，它也存在三个比较关键的缺点。
首先呢，就是体积大、成本高。见过晶振的朋友应该都清楚，毕竟它是实实在在的一块晶体在那儿，再加上周围的放大器和无源器件，一堆东西摆放在一起，占的面积可不小呀。对于小型电路来说，这个问题就更关键、更致命了，要是设备设计得很小巧，肯定就不希望因为晶振占去很大的电路面积。当然啦，随着技术的发展，晶振现在也能做得越来越小了，可相应的成本也就跟着上去了。
其次，晶振的老生产工艺比较传统，交期长。从技术角度来讲，晶振相对于半导体工艺来说，可靠性稍差一些哦，比如说它对震动和冲击的抗性就比较弱，而且在全温度范围内的 PPM（百万分比浓度）老漂移比较大，这些因素就导致它的交期比较长。
再者，从性能指标来看，晶振产生的时钟信号质量还不够理想，很难直接提供高于一百兆赫兹基频频率的老输出，要是想输出更高的时钟频率，就得借助锁相环之类的技术才行，所以它产生的谐波或者杂散就比较多。衡量时钟信号质量有个很重要的参数叫 Jitter，中文常译为时钟信号的抖动。
理想状态下，时钟信号0和1两个值之间来回切换时，过程应该是直上直下的，可实际情况呢，这个上升和下降的切换会出现前后抖动，进而导致时钟相应的工作频率发生微小变化哦。现代的数字系统对于系统时钟的抖动要求可是非常严格的，如果时钟抖动不满足系统指标，就就会引发同步失败，进而致使电路功能出现错误。
创新曙光：体声波技术（BAW）登场为了解决上述这些问题，人们又发明了一种新的时钟发生技术，叫做体声波技术，简称 BAW。其实呀，BAW 并不是一项全新的技术哦，它原本是用于无线通信的微波滤波器，是利用压电材料来生成和检测声波，以此实现对信号的过滤和处理。
BAW 能够提供高带宽和低损耗，所以传统上它在手机基站、卫星通信以及无线网络设备这些领域应用挺广泛的。
那可能有人就好奇了，这个原本作为滤波技术的体声波技术（BAW）怎么就能用来产生时钟信号了呢？细心的朋友或许注意到了，BAW 的工作原理也是基于压电效应，这和石英晶体很相似哦。从本质原理来讲，压电效应就是指当一种材料受到外力作用时，它内部的电荷分布会改变，从而产生电动势，只不过电荷分布的变化很微小，所以电动势也比较微弱。
但当电场强度较大的时候，压电效应就会变得很明显啦。这种效应常被用于制造各类压电传感器，像振动传感器、压力传感器、声音传感器等等。
BAW 振荡器通常是由夹在两个金属电极之间的压电基板组成，这些基板的材料一般是镍酸锂、钛酸锂或者氮化铝哦。在实际的 BAW 产品工艺和制作中，通常采用氮化铝薄膜，这是因为它有着良好的半导体工艺共容性，所谓共容性呢，就是可以在单个芯片或者器件中整合多种制程技术来实现多种功能。
具体来说呀，在上下两层金属电极中放入氮化铝薄膜，然后给金属电极施加交变电压时，它会在氮化铝薄膜中形成高频体声波震动，这个震动再通过压电效应转变成电信号，之后就可以对信号进行滤波，提取出所需的稳定频率，进而就能作为系统的参考时钟或者基频时钟啦。从 BAW 的工作原理不难看出，它和晶振相比，主要区别就是把晶体换成了压电薄膜。
BAW 优势尽显：开启新篇和晶振相比呀，BAW 振荡器有三个主要优势。
其一，BAW 振荡器产生的时钟抖动更小哦，这主要是因为 BAW 振荡器的中心频点能够达到2.5G，这种高 Q 谐振可比传统晶振的几十兆赫兹大多啦。
其二，BAW 振荡器的灵活性很棒哦。在晶体制造工艺里，要是需要不同的频率，就得有不同的生产工艺和型号，而 BAW 振荡器就解决了这个问题呀。基于 BAW 振荡器的时钟芯片能够通过分频生成不同的时钟频率，也就是说，一个 BAW 振荡器可以支持多种频率呢，反观前面说的晶振，它的频率是固定的，没办法动态变化，灵活性可就差多啦。
其三，BAW 振荡器可靠性高哦。由于采用了半导体工艺，所以它在抗震性能以及温漂的一致性方面有很大帮助，交期也更短呢。
正因如此呀，基于 BAW 技术的时钟方案在对时钟频率要求比较高的有线和无线通信领域，以及对时钟稳定性和抖动要求很严格的众多工业场景中应用广泛哦。特别是对于那些对设计尺寸要求比较严格的工业物联网小基站等领域来说，还可以把 BAW 振荡器和 MCU（微控制单元）集成在一起，应用在低比功率无线射频设备中呢，这样一方面能减小设计尺寸，另一方面也能减少由外部晶体引起的无线射频故障哦。
而且BAW 还可以和石英晶体一起使用，作为网络同步器的关键部件，能减少数字噪声和抖动，让高速网络传输的误差更小、更稳定呢。
探秘 BAW 产品：走进德州仪器如果大家对 BAW 振荡器感兴趣，最直接的办法就是去看看实际的产品，通常都会有比较详细的技术手册。比如德州仪器公司就有 BAW 振荡器的产品系列，包含了差分输出振荡器和单端输出振荡器两类。
BAW 频率振荡器可以产生标准频率，或者是工厂可编程的任意频率，能在 1 - 400 兆赫兹范围内，在 156.25 兆赫兹时，典型的 Ms 抖动为 100 飞秒哦。在 10 年工作的全温度范围内，老稳定性可以达到正负 25PPM，最小的差分输出尺寸是 2.5×2 毫米。单端和差分振荡器兼容业界标准拐角输出，可以直接替换原有的晶体振荡器呢。
当然啦，德州仪器还有非常丰富、详细的技术文档和应用手册哦，里面介绍了很多 BAW 振荡器的技术细节、设计方法，还会教大家具体怎么选型和使用。
其实我前面和大家分享的这些技术细节和现在的内容，好多都来源于他们的手册和文档，感兴趣的朋友们可以去看看、学习一下。
文本来源@老石谈芯 的视频内容
