CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
4 n  E  ^) i- w" b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!
现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

电感初始的电流设置如下所示:
  z; V5 e6 G" C( J7 _L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

' j7 V- _/ r; Q, F: M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)
: N. p* P+ s  p% f------------------------
* j- A* l! V3 r* source 100K
.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
- U7 R- ?' N/ H7 O5 {! O.UNPROT
: L; ^( I1 q/ d  bC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
' S/ C! l# Q. J3 G+ H. p: D! o  PM_M1         VOUT IN 0 0 n
8 E. q* ?6 V2 q6 F' p- w# u5 ^% l+ L=16u  
* D; B6 j7 Q1 }$ R7 R+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
7 U* y0 g2 v% }3 v& R. ?+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
" F4 S$ j  X0 H" Y7 rC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
R_Rf         IN VOUT  50meg  
. s; g% m( X( ^C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
8 p% ^% p: ]( l' G8 d$ K; j' ]4 n.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
! R  c, O3 q4 v  o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
+ B  ]3 }4 Y: b' G$ A5 U' X
看了討論區的文章
! c4 |1 @" L8 H6 X+ _, w( ^同意裡面的講法
" X1 H' W, f* v4 h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
' ?  Q. E7 B4 D3 {" D& ^( [! A9 P設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
! u# x/ ]2 q( F! C4 R  ^) R9 E! Q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
HSPICE 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...
  z0 I6 x( N; H
8 _8 ~8 g3 J/ P! U/ m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
, {4 [' x: x9 v4 ~3 |+ ?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
$ z) g( p* O3 v! Z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)
還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

% m0 g; e8 Q# Z+ M只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
1 Z, c0 C8 `' ~' w(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)

[ 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.
# ^& k. R! a1 q0 c" r3 o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.
9 }+ G# ~5 Q" f6 v# a. c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??
謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
( u, y1 Y3 o2 p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．
$ C7 r* V) C) [8 \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
' r9 N) |3 |# D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
# F* S3 N% b  ?) h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
( @% b9 V( C5 x3 W9 j' h4 b, G結 ...

$ y4 P: f- y  p
  |2 H( F3 M3 i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
) `  E+ K* }* }3 [% E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
+ E5 P" D5 z0 o, h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?
  k# v' b5 l8 n. ]% U  s$ r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?
; c2 k. Q0 k$ i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
4 g1 U* k" t' m) g1 `& n! L6 x不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

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
" u, |7 K3 i, N+ Y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
" P& B8 a. _  b/ m0 Y3 t- T小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
4 o1 |' n4 B) U3 N/ E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
3 \# j: h8 `; l$ m+ L) F: P# X/ W; q所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
6 r2 ^) H- w# W% ^3 v6 e我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
) R2 _: }- y4 ~+ s9 Y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
4 H5 f) Q$ e; L% \) L3 Z; m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
6 `6 w- r3 X. \: l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
感謝finster分享
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
, @1 `( F, L* X. `$ m8 w* ~8 e+ iic 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 ...

, \% J& c) L( l, m; r5 T
2 z, ~/ V' a0 O# \) Q- S
2 B$ i- P/ S( q3 v* ]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
! p& ^) r  ?  C' z* U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
& \, m5 G7 G" \3 T) D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
8 ^+ b3 C5 f, e& U8 B5 w* K/ F
  c4 i4 c$ Z7 Q9 y! ?3 \

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
! `' A7 l, D7 K. C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 ...

$ V- |. j  `% C8 j$ E4 q8 I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
+ H4 L, [6 D& z1 t1 E有沒有參考資料可以閱讀的
8 T/ l1 e  q" J' O! u2 E4 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
謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
# X3 i( @0 g# l: C: @6 c9 f$ j" Q$ J9 ?我查了些參考書還有文件後
/ ?5 y! ~; o3 j2 q7 |2 P5 s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
3 ^6 i. P  Z7 P: F$ u7 N/ J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
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
9 @/ N/ s  r  c8 ~8 _1 F
我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
! n* ?( C7 Y9 B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
; r% Y6 x, B8 H% H, J8 C( p. J兩者會有差別

- Q7 U* S* r* Z4 D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
8 M/ t0 n+ b% Z$ i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)
6 p2 V1 p* o) C9 ^( P' `) {" C應該就可以起振了
% @, v' k; v; r: [# B! R4 S
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
% B6 z4 m  |8 ^7 A0 {: r如果把石英拿掉的話
5 q# u  k9 z& g5 o0 w) b震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
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

一點淺見
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
* P8 \; i0 k5 l) q) ^* o只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
3 e! q, A. Z! L$ @5 H& r  H它其實是Crystal往外看的等效電阻值
# h8 |/ E. [. M( ^, I所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
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
然後負大於正就可以起振

& ~1 I3 w( }  {! x: U. ^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
& N, z; N5 M* s- a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
9 ~) I7 H. [! [4 l8 G* W/ [- V  u不知道這樣合不合理
6 R2 i( b/ }9 O# n1 b5 w! ?謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
1 _* t' M- Y+ ?" @   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

) j8 q( t. O+ F) l) Y5 O6 j  U* yThanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
crystal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