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!
+ I' S8 t: T* t现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

9 y5 a6 h5 x  W4 }9 R电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
! n; `* {- v7 W. H/ }' _' ?4 j
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)
------------------------
% G( [! `1 ]9 i, m9 V5 i2 b' ~' N* source 100K
.PROT
3 V: a( p2 r- \! H8 u% L& @.inc 'd:\hs\lib\level3'
, K  w3 ], b% o$ p* I# J4 d" |.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
6 J; I' J4 k4 JM_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
7 A5 T6 y% |, K6 p# \+ y; X+ L=16u  
+ W=0.8u         
2 k9 r( N7 r+ r: r+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
) P; F& `. j1 R, B8 TL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
# |* G: T1 }$ |" M* O( e" RR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
( S" V3 [2 {- G.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
5 p- y0 n4 G! x$ K& m0 r! q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 b5 P! n' {5 p0 g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
設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
9 F$ H, J( \# J* y) s  O+ U8 D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
6 _, E% R) f7 p! ?  XHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...
* q  L: A% Y; |4 L! j9 u; X1 g
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...

8 m% k# N: @( X/ C. r2 j4 V# ^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
( X# {% W# `: d$ ?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)
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....>_<
(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.
9 M2 T2 d8 W: o$ m% B$ P小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
/ u7 |! L( \, i/ {4 I  e% l為一CMOS反向器加上Crystal's model.
小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
% W& y# d' l6 S0 n. i在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
3 s2 T8 h1 y( F* @2 K1 p想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
' U8 I9 B' W8 F( ?. G- d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．
: ^6 ]/ ~9 f+ Z9 o# A" k5 NIC=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
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 ...

: h) _) D$ n# i7 q0 I5 Q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
4 E- U! V$ E$ y: X! N7 Y0 T1 C9 i* l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
' p+ o/ j% M$ 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....
/ B+ F$ u1 j) |$ y) e6 ?& ]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?
7 y# C( O+ X1 [9 X3 s) A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?
9 ]% U  f9 I. W% p, Y! o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
- H4 u1 d: r9 R# X( S1 \$ c不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

1 M( a; b" _+ m  T0 b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
$ g) {; j" ~6 j6 H還有一個 小方法 能 簡易評估
' W* ]* A/ c8 N: o: x' [1 f
- g2 {9 T4 }( c, z) ]# Y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
9 h) W1 R+ E7 W/ m8 E对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
% A& j8 z* {0 T3 t' m; V小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
/ v1 r7 C, n4 b7 F3 _0 t9 ]我是design一個32.768k crystal osc
$ v% B2 i) A* d- j5 \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
' T% V0 D; r4 g6 Y- p所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
# J* I9 Z7 H2 j3 A, o4 `4 {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
8 S$ r5 |- R) s- y0 ^2 |% q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
: |# o# M7 C% h6 |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
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 ...

8 f' e& e+ g- G! p2 L! a不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
8 N, p' k6 B: ~8 Q. K8 C1 u所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
( X+ \7 A7 G" T8 n, ]- n8 x4 q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
+ f. p; I9 e- b/ y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
  g# `% L2 A2 `2 X) W2 h* ?
5 K) _+ f& c) K
" L. A  b0 e2 \+ @" P- h
( t- I5 ~  F9 x8 s; d7 `6 v不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
1 y( b( E( x1 C+ ~' f所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
& C8 }" E/ w8 Y$ `2 t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 ...

2 P" u+ E/ j* C" k5 e6 A4 X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
- {5 b2 n1 k3 o) m5 m, U+ V到底是什麼阿
& t9 ]7 r3 Y; U  ~* \+ i; v1 b有沒有參考資料可以閱讀的
" t2 N+ p1 D+ z/ P或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
6 z6 z/ H, c5 ^/ V2 L  \謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
5 Y9 i  [% {+ f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
7 H- _0 H* g+ N; L
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
! e" n# K: y! J參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
  r2 o5 J, ~- N3 p3 F, d& e算是可以正常起振
1 r# D) I' z& c0 h% p# @+ y. A
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
/ Q0 [5 M5 ?+ _- A- _. A" a) l& e$ n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
2 K6 L5 i- Z8 H) |8 Q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
5 f* I, P, I1 \& W. H% _但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
6 A8 Y! E" ^# g: E, L2 T4 {. J; m以上

ilovehorn

給monkeybad

" ~4 ~0 X3 C$ v* Q6 F' B% B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
4 H/ B9 R' e5 \7 n3 _/ g你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
) E8 L: o: i5 w4 _; A7 l兩者會有差別
: s5 d! k# @* Y% Z/ d; C
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
% p' l1 [4 a0 m1 E$ j
/ x0 o( Y4 V) Z+ ^/ u3 \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
* }; H+ W" M, s  u3 `$ G8 Q, b$ B! r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
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
  N# \4 @0 F. }. W  b; l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
' M, }# x9 I( K3 W! z. P) b1 X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
0 j- i* |! @* h+ n+ A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

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
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
不知道這樣合不合理
8 u. d  V( U  j$ s謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
  f0 W" s. q' f& d& l   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

* {) V  ^! D- l: |1 W$ s+ [& CThanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
4 I$ w4 s/ J# n( [1 ?  u0 Acrystal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