CMOS晶體震盪器模擬

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
. U8 c$ r7 X' Y. a, v$ w5 ^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
- T  E7 g0 s% j+ ]2 s9 r$ |5 m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 ...

2 u+ O7 s3 N+ |. E) K; C: o小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
  g/ j* f; R7 {! K7 @6 k# umonkeybad 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
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?
% I$ Z: p# s! _, Y: h" i( m: g0 _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?
% @2 x5 ^, k: T  Y0 ]; F& n1 F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?
! i; a4 w/ J& @2 a: ]' ]  f8 N煩請各位前輩指點了, 感謝!!

jackrabbit

回復 47# skyblue

2 _& i/ @7 B1 R6 p9 \個人淺見
首先要先搞懂起振條件的概念, 一個是Barkhousen′s Critera, 是用回授系統的理論解釋
另外一個是以能量的觀點, 就是ideal LC tank是會一直做能量交換而振盪, 但因為寄生電阻消耗掉能量所以會衰減
因此才會有負電阻的概念出來, 用來抵消掉寄生電阻, 變回原來pure的LC
有這個概念後, 對於如何去模擬負阻應該會清楚很多!
crystal 視為LC tank, 把crystal拿掉, 從原本crystal兩端的位置看進去的阻抗, 取 real part 即是我們所在講的負阻

+ I  ]$ R0 f' f" G模擬方法: 等效電阻算過吧?! 您提到的極性問題, 我個人會建議直接在Xin/Xout1間跨AC電壓源, 看你正端定義在哪, 取從正端流出的電流值
然後 V/I=Z, 再取實部即可
雖然說振盪條件是 負阻=寄生Rs, 但建議為了起振, 把它做到至少五倍大比較保險, 這Razavi 教科書還有paper裡都有討論過
你可以去試著調幾個不同的負阻值看看起振的現象, 挺有趣的~

另外, 純屬個人意見, 我不會用外灌電流的方式去模擬, 畢竟實際的電路上並沒有這個電流
3 m4 ~" }7 u" z6 D' M我會採用前面有人說過的, 把inverter 兩端initial設等電位(both high or both low) 讓它自己去翻
' o5 o5 i8 a5 e! {' f% D4 x+ n還有, Hspice 要設 method=trap puretp, 再不行要再加 delmax, 值最好小於1/100 週期 (國外討論區建議的), 用gear 幾乎是不起振....
我用這樣的方法模擬, 不用外灌電流都能起振, 也可以看出負阻大小(或說inverter的gm) 的確會影響是否起振
, g9 ]3 z8 Q9 G9 a% P, s9 k
而我不認為改變W/L 會讓負阻變成正值!! 因為那個負號是來自於mos gm的電流方向 -> 做過小信號分析應該知道
& b/ i% b1 S& Z$ D) E2 f& h您是否把整個電路包含crystal一起去看阻值了??
good luck!!