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!
7 S  T$ J, Q1 U2 W现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

& D3 h- u5 S6 q( ~电感初始的电流设置如下所示:
' w. l1 W1 \' |  \+ UL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
* ~! ]" Z8 A; q- i
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)
------------------------
* source 100K
# R4 d) g; |: z: E& A5 b0 V.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
. p) ]* j( U7 f- z2 U1 V6 D.UNPROT
/ f9 Y: W9 G( AC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
* c5 w/ G% U7 t: w, t1 SM_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
, N- b( l: l# U) N9 }5 J+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
) I& y; c/ C; }" Q" B5 UV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
: @: X( x9 ^, p5 D4 C- ?6 [9 J9 `: pL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
$ M- ^7 q! M' K3 hR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
5 {5 A3 B/ Z" X- S.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
# g! k7 R7 Q: `( C$ }" t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

: \# Z: ^& f+ A! y6 S8 @看了討論區的文章
同意裡面的講法
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
) j' Q" l! s9 h: o2 d0 C設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
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
# r) x2 C3 p4 w4 ^$ O+ @9 @/ tHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

4 l$ o& M0 r/ I) J, d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)
6 d& y" @) c/ Q) G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...
+ V1 q9 W' Y! O# S2 [* \9 u
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
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
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)
' A; C  E- P8 d還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
( D8 \; J8 i1 B8 T; m: H8 Q(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)

' P6 f% G% v' }9 J, z7 e( k1 z[ 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,
1 s9 a& v0 y  t$ q6 |6 j: s1 ?" p為一CMOS反向器加上Crystal's model.
+ Y' y, x" T( I8 j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.
想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
' I+ |" ^% ?8 O& A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．
: ~2 q2 K$ V2 l, s0 qIC=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
$ p! Y+ Y7 a, I. o& s# q3 x; u8 R$ b. C昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
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
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 ...

; `$ c% k0 W- ^( ~  I6 \
) Y, V3 Q) }1 z* l0 J小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
monkeybad 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
3 n8 [& F- |+ J  Y' O' l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?
. d6 n7 N1 g& d3 \6 _; n" `# v+ b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?
: T1 Y9 [9 x3 u: ^" R/ ~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?
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
6 r* ^* q7 R$ X% [% Z  D3 T: H不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

- l. K+ V% q' \: Y嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
$ m- w8 v8 d& D, {* u3 W# d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
  _  F+ g  J* v1 X小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
( v3 q# Q, N1 q9 d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
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)
3 g5 ^: m% p: t+ i0 {9 C. P5 T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
5 f# }4 F2 D$ `( I  W6 I' T4 C8 ]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
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
8 [# ^1 L2 Z0 w6 y8 U感謝finster分享
/ E2 `  Z. u2 _' f' C4 E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 ...

" @) I5 U/ B' P3 }3 }; J

不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
9 a' w# k& a& s) y9 c: I所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
1 P* |! o; @) Z% C7 O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
3 p: u6 h- D, H% {; b& x% Z* x) F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


3 y5 O% n' D9 R+ \1 N6 w$ f) v
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
: J, r# v2 L' s  i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 Y5 [4 O/ L+ ?  L( K: 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
到底是什麼阿
/ }" Y$ j  v" N0 @1 P! m有沒有參考資料可以閱讀的
: a" G2 u5 m5 z; a4 j3 y: ~5 _: x或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
2 @/ D( U/ ^1 @/ a謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
$ f3 E- y; o8 z  j! `3 J+ M$ C8 Z  x1 J我查了些參考書還有文件後
總算對負電阻有些粗淺的了解
% K; e* M3 F$ L! m
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
, t; I9 f1 P( g! z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

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
6 [& U1 n3 ?9 u; }# b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
但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
以上

ilovehorn

給monkeybad

0 n- ^3 c0 j- u+ f  U8 [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
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
9 o, O* r3 a! ~: d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
6 n$ x7 s0 j$ c  a9 q9 _. Q' W
- U4 e& ~0 y& {" L" q# F另外有個問題
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
4 Y. {- {; m$ a( F震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
9 r7 G8 i- a8 J2 e' M: s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
( z% Z& X/ F1 ]9 d4 c4 e* ~4 a
* c9 A* L( Z5 n  p; y一點淺見
8 @4 K2 g6 D* G1 L" H9 ~3 d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
& O: H, V: k: c- S. v只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
它其實是Crystal往外看的等效電阻值
所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
3 g2 D1 K! M, F6 m還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
: ~2 o! m9 ]2 L4 N這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
然後負大於正就可以起振

" s; T6 R* w3 f另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
4 v) g# e9 E/ e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
# M# f) @8 ?1 z1 K! [不知道這樣合不合理
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
7 Z% C9 G# B3 ~, ?- e& C" a
Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
& L+ e, {' v: D5 pcrystal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