CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
. l" I+ E  q# K5 ?, j* e- s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:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
! R+ C# o9 \: @  U6 l7 m% E4 s
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)
* {8 E. t: E2 d& r! L------------------------
* source 100K
.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
" g& e4 ~: f, @0 AC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
% Y/ E; C4 t2 o' L( E1 z3 \M_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ e% B8 l& n% m  {+ W=0.8u         
- j/ @% I1 V. U4 K/ \; b; R; L+ M=10
8 K* j- a1 }5 [: |6 K+ `M_M2         VOUT IN vdd vdd p
0 }! e1 o6 M+ b/ z- q8 F+ L=16u  
+ W=0.8u         
3 [8 p7 h( @8 g" Q0 N+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
' {6 _2 c  O) t9 T6 KV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
5 o' |( R  i5 [3 S" ]# i' L! LC_C1         IN 0  5p  
* S9 U. S! D: _4 ~( z/ nC_C2         0 VOUT  5p  
0 F, \1 {9 M( V$ c2 t# ]* ^) EL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
( s5 T+ c! T, I1 |, zR_Rf         IN VOUT  50meg  
( b- w8 Y+ b2 M9 pC_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
; K- s( x- l- W. B) t4 Q.tran 1ns 20ms
" m4 w3 F! ?' e; z5 U6 k/ Z.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
" G- w; z( R  ]$ T7 t2 h- K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
2 a& O2 @) Q# g, T. R4 d: G$ v
看了討論區的文章
6 u0 m. h7 g; H& ^1 C同意裡面的講法
8 @) z8 n: j' y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  
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
" d  w: s( v2 ~8 O' lHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

9 j  p# H' e9 T3 _8 F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)
" U& I( W# t* V+ k9 V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...

# l4 E/ u) Q7 o  p# _. E) N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
* B- F' F2 j/ N" l3 T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
7 l. I: g2 F- o8 S1 m8 Z- R* o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,
4 L6 P3 R) Z4 B% V* \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)
4 A9 x  T( @$ o% _2 X還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

* t3 N0 n, s! v; z, ?) F/ W只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
; L1 M7 m7 V, ^8 F* y# F+ K( @% D(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.
0 x1 v: u% R' Z8 d/ x$ v1 h小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
7 S2 h9 u: f& S9 r為一CMOS反向器加上Crystal's model.
5 ~" F# s* d, L- }小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
8 x! @7 e; U+ o/ Q, r. r) o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．
對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
* O" G5 s  w) T* O: mIC=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
8 q9 U  Q" `* W% _昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
: T% b' {2 S% ?% q& c5 n( ?2 J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
) h" f$ u5 |7 [1 P- c, K; c結 ...

) n. I1 O/ |# h6 o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
/ V3 g. E+ F1 w3 R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
  q! ~0 @" o1 M. y8 Z' Q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?
4 k6 }0 r* h/ 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
8 N3 v( P  p: v- Y. @不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
1 f+ L- o1 {6 ^5 D- d7 K. f+ u, S
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
) m$ |5 E: V, l% `% E! i  {還有一個 小方法 能 簡易評估
3 @/ t8 _% S3 a* c8 g: x
3 B: R5 M3 G: v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
' f. M& \4 X  L: q1 M对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
( I1 A# }6 |, t; W- |- c小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
2 D' x! [# {9 |. T7 m5 a$ Y我是design一個32.768k crystal osc
0 U, p/ _! I% ^( j" T1 V3 t$ R! p: Gic 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)
我當下是覺得探針類似有電容的效果
" N9 R' ]+ w' h$ ]7 J, 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
還以為是noise的影響
" {+ n: H$ \" z1 [4 D4 }+ G# p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
$ \2 Z3 P$ f& H# W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
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 ...

& {/ r# \* v: t2 g: {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
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
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 q& A8 e$ J7 D2 {1 l! M


, {  P+ O' M) j% L9 w8 \3 @) J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
1 U" x  B" x( p$ {, X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 ...

( K  b6 P# }- S% w- {. R0 j7 p
, z; v- j! g1 v- }2 [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
+ v3 `' N- q4 v" r2 |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
謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
我查了些參考書還有文件後
+ Q7 x3 D6 f) l$ S+ W總算對負電阻有些粗淺的了解
2 ^! n% e+ [- W
: a1 \' g! A4 G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
- \( O6 O0 r: ~5 \7 n% z! I1 T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
8 P' ?8 s' m0 d" J9 c/ g: D# o4 X$ a但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
& E" _4 |7 U# T/ p0 f  W6 h, @# g: l, {以上

ilovehorn

給monkeybad
  y, D2 w5 ?0 k
我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
% f1 L+ |+ }/ r7 d0 s- }: W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
3 ]# x- p. H( Q$ m, W, e7 |1 N, S你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
% `8 X$ c( _1 L兩者會有差別
# {( {. N) w' Z: B& ?/ F4 D1 {
9 {, ~5 i1 f3 N8 x7 h& o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 v& e$ O; }- K' M4 C$ n  _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)
. F2 |0 x0 _* r/ k4 Y8 z/ X應該就可以起振了
4 u' b$ q1 m" D- I* G
; [) f; n) y* k' F9 n8 N另外有個問題
; J1 y% c9 Q, P) O" b4 I1 x不知道在圖二你是用什麼方式把頻率鎖在震盪頻率
# \" O9 O+ q0 ?8 W: z如果把石英拿掉的話
* V$ p. l5 g* {& ~! w% @$ `6 H+ w震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
+ o" }8 [& V$ z, i4 P4 X4 I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
" c  D: i2 p, m% e8 j
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
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
2 U' N- a- c, X! X所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
% h# I3 T; m/ G還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
' V  V# H! l7 N# r( B+ R! T' j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

" X7 V( S. o# ^* e9 Z# n$ b. A& [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
5 _0 ]  Z7 D2 M+ p5 w1 M# q0 w7 P不知道這樣合不合理
謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
% o* O. F6 E5 A, n- v* h   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

0 g! ~  L7 V+ H4 }7 w, T6 b( t8 aThanks 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