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!
现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
- Z% h; I% b3 R: R/ ], ^& Y. I
电感初始的电流设置如下所示:
! u+ C# z) d$ t2 Z! YL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
4 V( h* \+ w* @- p- S: O
9 ]4 ^& Z$ q2 ?- i- Z4 v% \; p注意给电感设置初始值要不能太小!
3 C$ v7 ^# L7 x# mhttp://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
.PROT
0 }: ^3 h( ~( i.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
- V1 O/ w; I4 P% y& @M_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
) ^5 L' `- i( PM_M2         VOUT IN vdd vdd p
$ v5 N9 G0 d; x+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
" |/ j% J% Y3 D9 K' Y- t8 \0 SR_R3         IN N11450  18.5k  
; Z7 N! o  n1 Z8 o2 V; \7 FV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
( _' Y) ?* N; s- Q9 A9 HR_Rf         IN VOUT  50meg  
0 g- P  e* x  E$ F) M$ HC_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
8 v! h6 b( C) u/ n.tran 1ns 20ms
9 v: X" ~9 p( c' S.probe tran  v(in) v(vout)
4 i+ V' Y/ V2 B8 i; E.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
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

: J! S6 b/ F! r4 o' Y; r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
0 Q1 f3 |& B+ {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
HSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

# K6 O/ w8 c& S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)
1 e& z6 N/ W( ]; h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...

- X9 q5 F1 {4 \& D" w1 [  p$ a" X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)
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...)
. w3 b; Y$ ]5 x6 a: H
[ 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.
* \6 b5 ]) a# O1 m  Q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.
2 ]0 ^3 O: t4 {8 G  |小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
7 U* f) o& E7 H2 C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??
1 f, A; U# p& E+ v8 ^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．
; B, \+ @. _" \( r) ?4 cIC=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
: O0 s- H0 G$ |' {5 l- w4 p8 x8 i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 ...

1 @5 e  N& c7 Y$ v
小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
( Y$ L  y2 n6 I( f/ r4 k( pmonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
! T# }6 \( r. S" k9 E& 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
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....
1 ]& {& p, k: H- I# A7 wXtalin > Xtalout還可以理解, 畢竟兩端的loading不同
6 @: {; `' V( J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& Y; T# \  l: k9 M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?
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
" ?9 T' F7 L3 p* x1 k! \$ z不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

9 M+ |6 }4 d) f/ I- c6 ?8 ^; l嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
: s' T5 g0 O" v2 j  j$ [0 v' G! I除了 網路分析儀 外
還有一個 小方法 能 簡易評估

8 y7 O$ \4 g: i1 `1 M1 Z' k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
- v6 A, ?; ~- e% H0 \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
: t* A" C/ x0 [$ Y8 j  V5 a9 kic 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 e( J) E8 Z# D# B4 O) K) 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
1 W2 O( w! M3 S! c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 `: H/ v/ q9 c/ c我當下是覺得探針類似有電容的效果
4 D* f8 }" W- f  {& r( X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
$ W0 p5 _+ i4 ]還以為是noise的影響
* K% g" J8 F: m( _5 c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
4 G% E0 {' ^0 O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
) Z3 v: R! E4 S' S2 M) Z+ ]9 w我是design一個32.768k crystal osc
1 D4 y/ {+ c  `8 Cic 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 ...

2 G- c2 F" c6 V; p

9 }& I' z. ?% }2 D0 n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
" W; \$ K$ h$ t0 G# K! |6 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 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
6 Z- V2 d  l( n" g0 `2 b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 U, M$ ]7 l& ^

/ M& f4 h+ A$ @
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
8 B9 O4 D+ Q9 X$ p" ^$ W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 ...

4 }) g- \9 b7 W8 W
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
) v1 v' e+ Y9 @2 b. W7 l8 e到底是什麼阿
有沒有參考資料可以閱讀的
或是哪本教科書有提到的
% g; h% q) E; a+ a, Y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
總算對負電阻有些粗淺的了解

5 r+ F7 s" O1 x, f  s# M: d1 h最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
* h. q( y  `, f2 i  K* I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
- ^- P- j4 K6 h$ ^9 j5 z) x5 o9 u/ [若是使用HSPICE的話 Time Step 設太小 模擬時間會拉的很長
3 E: M6 T' A! y% n! h* B+ J! k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
# j: A! m& j: M- O! G0 G. O但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
! r6 z0 W* ?# ~3 Z1 f- m以上

ilovehorn

給monkeybad

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
' ^8 e/ t5 Q: j& m7 ^$ t  g( g3 ^$ M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
% B, y; s/ N# ~' J/ Z9 q2 G9 S6 z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

4 H6 [1 K3 S- a; [. h; v8 c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
! X+ S, R6 r; }' a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
/ D/ j( ^2 e6 ^  G% O2 h
: @' g, U6 f8 w3 {  v一點淺見
# D! m6 B4 r1 b& B9 b7 u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
. h/ ?+ {- [0 k4 u) A: W4 c所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
; Y! z( T8 x. R3 Z( S! N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
( G7 ^- g5 g7 H; l2 j, a然後負大於正就可以起振
. A$ ^7 y& m  ~6 {2 i- a
另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
9 }& T' Q' o8 q/ E1 p- `* u+ x在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
4 E( F* M" o- b6 Y" @9 o% D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
謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
' X* N& {2 ~' w" k( Z' x- _. d   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
: q2 i: K' Y( [5 [' a
4 i% H7 a- M8 P' U0 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