CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
由于最近不常上chip123,所以现在才回答您的问题,表示非常抱歉!
+ G" I) e, o7 _' N  J( B现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
4 p3 Z2 C9 e: a! a# ?
电感初始的电流设置如下所示:
3 |0 m2 X$ X; x( d: ^L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
# a( n7 c( {- O& _9 D5 f
1 b: ], g$ b5 n注意给电感设置初始值要不能太小!
http://www.eetop.cn/bbs/thread-58028-1-1.html(这是我在eetop的一个讨论贴,希望对您有所帮助)
------------------------
1 H, b9 e6 ?& p% P$ U* source 100K
# y. F: I' O9 l# O( \; s- I7 d. [) t.PROT
! D9 z, F( v3 q' ?* q+ ?.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
1 H0 a/ p1 `2 @C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
3 m2 g! Q( G0 ~+ L=16u  
) Y$ I0 Q9 x) j6 \9 ^- Q+ W=0.8u         
- X- i2 m) h, n; V- p+ M=10
: D: u9 t2 ^6 @# m& HM_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
( M4 ^! q! v5 }/ B, q+ W=0.8u         
5 ]- w! ?; P$ v5 U0 H+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
/ p5 {$ F$ P& e: e" YV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
9 G! V8 ]3 k3 b! |) d% xC_C1         IN 0  5p  
( l$ M4 N/ y2 WC_C2         0 VOUT  5p  
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
0 g9 ?( b- p0 B. {, A8 _) Z4 CR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
& V/ c3 L, |9 h$ s- Y* @.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
* b: U+ }# V7 }; x- [4 `4 v4 D5 p原來設電感初始值只要加 IC=1uA 就可以了 又學到一個指令了

看了討論區的文章
7 Q' _" P( d& S/ A同意裡面的講法
0 p7 F! h7 _/ {6 U2 }震盪器模擬應該跟初始值有關 可能是模擬軟體本身的收斂問題 可能跟演算法有關吧
( I5 h9 t0 {* b# w5 }9 u設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
0 e( }! }  N- k3 O9 J5 r4 U' J2 V所以應該要設初始條件 尤其是在模擬電源start-up的情形 初始值沒設好 好像也不會振說

skyboy

最近一直在嘗試, 本來因為 schedule 的關係想先擱下, 以前做這個線路的同事說就是用
" }: D7 V8 J; `  h5 j8 NHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

不過最後一次的嘗試讓我看到它起震了, time step 要縮小到 0.1ns, CX1(inverter輸入端)
縮小到 4pF (是任意挑一個較小的值, 沒試過其他的..CX2 仍為 10pF), 不過還是有點怪怪的...

前面討論有提到, 起震時在 X'tal 內 CS 的端點會看到振幅漸增的震盪, 我用 ADiT 跑出來
6 h' |3 W0 a$ ~" W3 N到穩態時震幅是 +/- 2.x KV, SPICE 跑出來只有900多V, 另外 CX1=CX2=10pF 時 ADiT
3 r6 g  {( n8 k! v0 g+ G0 I0 e就可以很順利的起震, XG/XD 的振幅是 full swing, SPICE 的話會看到 XG/XD 的振幅很小,
幾乎就是在 INV 的操作點附近, CS 端點的振幅也只有幾十V, 頻率慢一點 (ex. 2MHz)
  Y% G3 D0 O( \5 b$ N還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
- [! j& ^" j8 S( M7 M  F
  @) ?9 w- h6 q0 F3 ?$ A; q4 w只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
- B' I% |. \) b' D7 e  ?3 B(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)
7 M: I1 o3 T2 ]( R
[ 本帖最後由 skyboy 於 2007-9-9 02:51 PM 編輯 ]

ainge

各位前輩, 不知大家是否模擬過Crystal oscillator的phase noise.
小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
為一CMOS反向器加上Crystal's model.
) A" i; d+ l$ w8 o' y小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
0 m( v6 |! F; b* P3 b8 {想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
IC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
IC=0.1na，也可以振，只是起振時間拉長．謝謝．

jackrabbit

原帖由 monkeybad 於 2007-8-9 10:01 AM 發表
昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
; k4 J; k  k+ ^" n5 V7 Z就是在一開始的時候 串聯一個起始電壓源來加速Hspice的模擬
' P! Y" p  O, ?' l. q起始電壓源為一個sine波 頻率設為crystal的震盪頻率 然後要加入damping factor 讓起始電壓慢慢衰減到零
結 ...

小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
) b+ w- Z, M- k( tmonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
在這篇附件裡 figure 2的模擬結果顯示, Xtalin的振幅會大過Xtalout, 而Xtalin振幅甚至會超出 Vdd&Gnd
我自己在模擬的時候也看到同樣的現象, 但不知如何解釋才正確....
Xtalin > Xtalout還可以理解, 畢竟兩端的loading不同
但是Xtalin的振幅是否真的會超出supply rail? 還是只是模擬上是如此?
這個現象讓我聯想到DC-DC converter~ 不知道是否是電感所造成的效果?
查了幾份application note都沒討論晶體兩端振幅的問題, 不知道這個振幅有沒有辦法去計算或調整?
, s6 j% K( ^; W/ H% K+ x$ l煩請各位前輩指點了, 感謝!!

gimayon

實際 IC 確實有振超過 vdd 的案例
不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
( g: L, [9 Y; A+ M  R  s: @, `
( ~% D  F, A, h嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
除了 網路分析儀 外
還有一個 小方法 能 簡易評估

缺錢 賣10代幣吧  有人要買嗎 ?

savage1394

受教了，我也遇到晶振振不起来的问题了
对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
  A) T& a- h7 x, j6 K/ t/ s0 F' d小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
我是design一個32.768k crystal osc
$ S' v  J0 f1 p9 Sic 回來量測時發現經過digital counter的輸出會有過快的現象,也就是它會數太快,代表著也許我送給它的頻率變快了
1 {( j# D& Z" y8 k所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
但是當我探針離開輸出那一點時,頻率又變快了(有接led燈,所以感覺的出來閃爍變快)
我當下是覺得探針類似有電容的效果
所以當探針下去時會有濾波的效果,所以頻率會正常,當探針一離開則頻率會變快
還以為是noise的影響
看到你的第五點分享,現在想在我的輸出端再加上一個smitte trigger,然後再接給後面的digital counter來使用
& p: ]9 L1 H. V6 R! V* Q: z( X看看問題是否可以獲得解決

finster

原帖由 markcheng 於 2008-1-15 12:33 AM 發表
( W. z9 L& V$ b$ @3 B- u感謝finster分享
) {* Q0 |# N2 ^, k; Y小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
我是design一個32.768k crystal osc
ic 回來量測時發現經過digital counter的輸出會有過快的現象,也就是它會數太快,代表著也許我送給它的頻率變快了 ...

( W" p( ]( N% _! D7 W+ K

# A; ~3 {  z3 l3 Q1 F不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
9 E) G( D% M9 w- p$ P我們後來實驗的結果(藉由FIB),發現到當初的推論沒有錯,因為原本的規格是要作到很low power,所以32.768KHz Crystal output的推力就設計的很弱,以致於輸出的clock的rise time和fall time就變得很長,導致後級counter在遇到很長的rise time和fall time時,就會被重覆trigger,故而使得原本要一秒一秒計數的計數器變快了
: l8 l, _& f3 q3 E9 g* L解法就是加一個schmitter trigger,藉由schmitter trigger的hysteresis windows特點來解決過長rise time/fall time所造成的問題(我們有用hspice作過模擬,利用crystal oscillator + counter但卻沒有看到過長rise time/fall time會造成counter有多數的情況,後來,我們是在power處和crystal oscillator的output端各加一些noise,便會看到問題出現,因為過長的rise time/fall time在爬升的過程中,因為noise的緣故會導致counter在某些較大的noise處會被trigger)

markcheng

原帖由 finster 於 2008-1-18 09:26 AM 發表


+ G1 T5 ~& z6 d  h$ O# b8 s
8 v6 t% _1 Z) p, P  J4 }7 o0 H不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
4 u5 Y, Y  _1 G& y4 y" ?所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
我們後來實驗的結果(藉由FIB),發現到當初的推論沒有錯,因為原本的規格是要作到很low power,所以32.768KHz Crys ...

9 y# U8 x/ C5 {) E6 H+ L
因為我的電路裡面還有另外一個12M的OSC....其實電路上是大同小異的...但是12M卻沒有這個問題...我想應該是它速度太快了...因為12M一個cycle大概是80n...而32k768大概是30u....這個差距就差很多了...難怪rising跟falling影響後者比較嚴重...因為counter大概反應時間也都是 n sec 等級的...最後還是感謝分享經驗

ilovehorn

我想請問一下  之前一直提到的負電阻
  j, w) A$ `' g4 Z: s到底是什麼阿
* C5 H4 ?& I- |' c9 O有沒有參考資料可以閱讀的
或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
" t8 `) R. ]) m謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
7 F5 _" V; N% C7 _我查了些參考書還有文件後
1 F" G) z& h1 |7 U9 M) r# K9 k% u$ `總算對負電阻有些粗淺的了解

最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
算是可以正常起振
# \) @- M+ E# \/ \( j$ S
( k1 H. q0 [9 J  n# @- x  Y; L我的經驗是
若是使用HSPICE的話 Time Step 設太小 模擬時間會拉的很長
使用ELDO則可以大幅縮減模擬時間  可是要注意要下 .option tuning = accurate/VHIGH 的參數 不然模擬結果會非常不準
然後ADIT模擬時間最短  但是算是最不準吧  粗淺的測試可以使用
6 e% e! ?$ L5 ~. [7 v- I. Y0 m但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
+ J3 M- z8 k' M* t以上

ilovehorn

給monkeybad
+ m) f& M7 h" Z$ J/ V4 I( Q
/ |/ a$ L" L% _我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
你這樣所看到的阻值 與你所提供的Philip AN97090文件裡面的值不一樣
8 @$ }1 |& [1 h- {. `( @  k你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
兩者會有差別

如果要用並聯的方式討論的話
可能要把Crystal裡面的Rs換成並聯形式  就像是Razavi P.497推導的一樣
然後負加正大於0 (因為是並聯形式  所以要相加大於零) (Razavi P.504)
應該就可以起振了

另外有個問題
( N9 e) p! X# k) l不知道在圖二你是用什麼方式把頻率鎖在震盪頻率
如果把石英拿掉的話
震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
3 q$ N4 C$ r4 N+ f6 i  R) \4 e如果沒有鎖住的話  那模擬出來的負電阻就跟震盪時的負電阻不一樣了
0 {; i" S8 k( {" a
一點淺見
3 X! x! Z: _/ T: S! E8 A' e有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
! X. r& K! l. m8 I9 ]3 @$ ]它其實是Crystal往外看的等效電阻值
; i' A3 W* W7 H; F所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
, \' B6 `! C+ m" r還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
  ]4 Z- s0 Z7 h2 q3 k0 E9 q4 e然後負大於正就可以起振

另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
) w1 K5 V1 L" A" a在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
  O+ ]+ {" S8 y& Q6 f我自己的方式是把Inverter的平衡點社在中間  然後下電流參數的時候 不給直流參數
6 v) P) ]/ D# A4 V& K' l不知道這樣合不合理
7 o3 d& ~5 q: \" n: _7 I" v謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

, X9 x% i0 g5 ^; `- J. y% _Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
5 K8 q4 e$ D- ~# `% t, hcrystal的等效模型各位是从哪得到的?

yoyo20701

嗯~~多謝大大的提供~~小第也在做振盪器~~~謝謝囉~~~大大