crystal oscillator不起振~

finster

我當初在作crystal oscillator模擬時,會加這個power ramp的方式
   VDD VDD 0 PWL(0 0, 500US 3.3V)
5 B2 ~& B. C* @' W5 p+ N這是模擬電源電壓是從0V開始往上昇,在一定的時間內會達到穩定值,而會在多少的時間內達到穩定值就看PCB版子上的電源電壓多快能夠達到穩定,而這是比較接近真實情況的模擬,因為所有的電路皆不是一開始就是vdd
如果,你所設計的電路無法接受power ramp的電源電壓方式,那表示你的電路在power ramp過程中有遇到無法收斂的點,以致於電路會無法起振,解決之道有幾種方式可以試試看,一是加initial電壓,二是在電路中加負載電容試試看,至於要加多少,這點要看你的電路來決定,三是試著改變ring oscillator的size大小
) @, V9 [* X7 q8 R9 T$ }% K
( m# Q# @, }3 s  T/ p1 U$ Z4 G& B你的crystal oscillator電路有需要作到low power嗎(total current <= 10uA以下)??
如果沒有,那就不需要bias voltage control
. J# S+ X3 O8 A/ \8 g: y8 `2 k
3.3V @ 13MHz的crystal oscillator,我已經很久沒作這方面的電路了,對於它的current會有多少已經不太有概念了,如果你想知道為何它的電流會這麼大,建議你看一下crystal oscillator兩端的電壓波形,再來觀看接在crystal oscillator的那個buffer(inverter)以及接進去的第一個反相器的電流,如此一來,你應該就可以看出為何電流會那麼大,同時也應該可以想到要怎麼修改size

finster

一般crystal oscillator的電路設計,最重要的是當電源電壓一開起來之後就要能夠起振,經過多久之後振盪頻率要能夠穩定,整個振盪電路的電流消耗有多少,振盪頻率的jitter或者頻率穩定度為何(這項通常是針對R-C oscillator,對於crystal oscillator則較少有人在留意),整個area有多大
這幾點是crystal oscillator circuit在設計初期會留意的幾項
其中第一項和第二項是首要的,其他的就都還好,反正,只要有起振,大概就完成了80%
, }4 X7 E% k, ~( N+ ], A( Z9 `3 R
另外一提的是,有些crystal oscillator會作low power crystal oscillator,整個振盪電路的電流消耗要小於10uA或者小於1uA以下的規格,這種電路很難作,而且也要很小心,而這種電路和前面所提的設計難度大概差了至少三倍以上吧

finster

一般來說,我們不會用inverter作為crystal oscillator的放大器
8 h# m8 D2 V$ ]# p而是用NAND作為取代inverter
) d% q5 z8 }" ~1 c  I原因乃是NAND的另外一腳可以作為enable pin的control

$ ^$ n& P+ u, D. a( @再來,crystal oscillator不建議你用tri-state inverter buffer
7 v( m% l# T0 y9 o9 t) G原因是在disable情況下,output為folating,或者有人稱之為Hi-Z,此時為任何電壓準位
這對接在後面的電路而言,反而會造成極大的leaking current
" M6 N2 b" \4 `: P1 a( \而這,是絕對要避免的情況

! K% X0 V5 v9 K最後,你所提到的dc path
2 u, J' @% Y; v6 y  z; b2 J我不知道你在inverter的電路下所作的disable是怎樣子的一個電路
一般,要作disable的動作,我們不會用inverter來作,而是利用NAND或者NOR來實現
1 [, J3 [6 q" c" U若真要用inverter來作disable,那會在input端前面加一個transmission gate和一個對vdd的PMOS或者對ground的NMOS,如此便可達到你要的功能,只是,與其要這麼複雜,還不如直接採用NAND即可達到要求,既簡單又方便

finster

方法有很多種
附圖是示意圖,實際控制信號自己加上去吧
4 ]- J) F" ?  D# a
: W4 _$ v3 g, N3 V  N; m) H# p1 n3 w% k7 S我前面提到floating 會造成後面一級會有leakage current的問題,一般都是利用傳輸閘來解決此一問題
方式就如附圖所示

finster

不確定你是指那一個節點的電壓
若依照我上面所繪的草圖,在一段時間後應該會降到0V

不過,你的模擬圖卻沒有
我猜,可能是因為在模擬crystal oscillator時,在crystal oscillator兩端要掛一個串接電阻
故而在進入到disable時,原本要降到0V的電壓會因為這個電阻的緣故而變成到0V ~ VDD之間的電位,此時,在crystal oscillator兩端既不是Hi-Z,也不是在0V或者VDD
你的模擬圖應該是正確的情況
若想要證實,將串接在crystal oscillator兩端的電阻在串接一個傳輸閘,在進入disable情況時,將這條path打開,如此一來,在I/O PAD應該會看到0v的電位

finster

這是我依照你的電路圖所畫的動作圖
/ _9 @# k! y- }5 q3 {在disable的情況下C1的電容上會有電壓,因為在disable下,電容沒有path可作放電,所以原本在C1上的波形該為振盪的正弦波應該會變成一個介於vdd到ground的一個電壓存在,波形該為你前面所貼的Vout才對
至於C2,因為反相器的輸入級被接到ground,故而在反相器的輸出應該為vdd,而非介於vdd和ground的任一個電壓,所以,若你的輸出電壓介於vdd到ground的一個電壓,這點倒是很奇怪,除非你的反相器的拉力不足以讓C2的電壓在disable的情況下被充電到vdd
3 Q: K3 ]& J, M: F* z若以你目前貼的電路圖來看,在disable下是不會有問題,但,要留意是其他電路接到C1的節點,因為C1在disable下是floating,所以任何電壓皆有可能,那對接到這點的電路而言就有可能會造成leakage current的產生,除非,你在disable的情況下,C1那一節點會有另外的輸入電壓來控制,那就不會產生問題

至於C2,通常是接到buffer的輸入電壓點,在disable情況下,一般都會建議要為vdd或者ground,不會在disable下所接到的那個buffer會有leakage current的產生,而這是要避免的情況

' _5 ]# N/ Q8 P5 i  E如果你學長的電路在disable情況下要用到C1和C2兩個I/O PAD,那你C2的電壓在disable情況下就不能被拉到vdd,不然會有問題,這點你需跟你老闆確認一下,若有需用到C2那個I/O PAD,那在反相器的輸出級就必需接一個傳輸閘來隔開在disable情況下C2的連接
3 I* R; M+ y" L3 W8 |: X" r, _% j
& k, F6 b2 F" O$ v6 c1 j3 o: y: O最後,你上面所貼的圖為Vout的波形??
& N3 a$ z8 T" h. u* Q1 w這點讓我覺得很奇怪,若照電路圖的行為來看,Vout在disable下該為VDD,而非介於vdd到ground的作一點電壓,你需再次確認一下傳輸閘的電壓有無錯誤,不然這樣子的波形是無法和你的電路圖作相呼應與解釋,而通常在這種問題下,要不就是遺漏掉什麼,不然就還有其他元件影響到C2的電壓,以致於C2沒有被拉到vdd,

6 w  J/ d5 o* [[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-10 08:47 AM 編輯 ]

finster

從你貼的模擬圖來看,確實還蠻奇怪的,因為這個現象照你所描述的電路來說有些不合理
& p7 _# }( ~$ q& h/ ^3 o3 p若你已在反相器與C2之間有接一個傳輸閘了,在disable下,反相器的輸出應會被拉到vdd
而你的情況卻在vdd ~ gnd的任一電位

你能否確認一下反相器輸出端傳輸閘兩端的電壓各為多少?傳輸閘的PMOS/NMOS在disable下時有沒有電流流過?電流值各為多少?
另外,量測一下反相器上方那個電阻在disable下時的電流為多少?
# l  t$ `$ B( _: V  A
9 d8 R) @: f$ B0 y% p/ r上述第一種狀況是針對反相器後的傳輸閘作測試,看看有無正常動作
6 e, g5 N0 w3 f- L: d至於看反相器上方電阻的電流則在看為何反相器的PMOS在disable下的動作

最後,若你學長都需要用到C1和C2兩個I/O PAD,那你的反相器的輸入和輸出端一定要加傳輸閘來隔開,不然,屆時就會有問題

finster

從你目前所貼的圖和你之前所模擬的結果來看是一致的
就如你所言,先前我所說的節點和你認知的不同,所以有所造成誤解
依照你所標示的Vout,它確實會是floating,電壓應會介於VDD ~ 0V之間,更精確來說,它會略近似乎於C1上的電壓

finster

以crystal oscillator電路來說,廠商會提供一個外部參考的電容值和回授電阻值作為參考
' L; E1 L1 s* f4 f% M3 a故而在不同頻段的crystal會有不同的C1,C2和Rf建議參考值
20MHz的crystal oscillator的C1,C2,和Rf並不一定和>=20MHz以上的crystal oscillator的C1,C2,和Rf值相同

1 c6 |  A8 J3 X/ f, C. ^1 l  X$ a/ }/ I再來,一般來說,大於15MHz ~ 20MHz以上的crystal oscillator,因為主頻較高,相對的第三倍頻也會隨著頻率增高而特別顯著
8 k% }9 r8 P, Q1 {8 s7 h7 {6 @* ^. G所以,有些廠高會在C2到crystal osciilator的output端再額外加一個小電阻,而這個則是用來阻絕(抑制)第三倍頻的功用,這個在一般的crystal oscillator的規格書上都有寫
6 e" n/ R& I8 y( i4 D* @: U
最後,如我前面所寫,不同頻段的crystal oscillator需要搭配不同的C1,C2,和Rf,而且,它的消耗電流也不同
+ k1 t: x' K- Z+ N3 ]9 G一般來說,愈高頻的crystal oscillator的起振時間愈短,同時jitter也愈大,而且高次諧波也愈明顯
所以,請先查一下crystal oscillator的規格書上所寫的建議值,因為你的C1,C2,和Rf值也會影響振盪出來的振幅和頻率

& d& u0 h& i6 h1 x4 w3 x[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-18 02:51 PM 編輯 ]

finster

原帖由 camilla 於 2008-11-11 01:07 PM 發表
各位前輩~
/ `$ ]& Z, f+ Q% H$ I
之前因課程關係做了一個crystal osc(期間感謝finster版主的指導~),且也跟著藏在學長的ic下線了~

* H3 J, I, v/ C, w4 S& X不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
* J5 N) E! c$ a. `& k# L+ I" \/ c% I
( _$ d$ z9 J5 g; _" O我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸 ...

, r6 P( H6 J7 e- J" F

你這種情況還好,並不嚴重
要想克服這種現象,若在OP,最簡單的作法是改補償電容
' e( [+ y- i" F7 h/ b( `若是反相器,減少driving能力或者在輸出端加點小電容(負載or Buffer)即可

finster

減少driving能力或者增加buffer其實都是同一個原理的解決方法
因為你的輸出的driving能力太大了,導致在輸出為"1"時會有over-shoot的現象出現
故而,把driving能力減弱,可以減緩over-shoot的問題
另外一種是增加輸出級的loading,而這種方法就是加小電容或者buffer,如此一來輸出級的fan-out就增加了,相當於是一個loading,不過,我都是用加小電容比較OK
2 L3 x& }0 e8 e. x3 b
至於你問到的第二個問題
這個要看你系統上的需求而定,在disable下要為"0"或者"1"都是看系統的設定來訂定的
不過,你用pull-down,原則上沒有問題,但若是在實際產品就不建議,因為你是在輸出級加這一個pull-down,在disable下若輸入為floating或者"0"的狀態下會有一個leaking current path,這是要避免的情況
再來,pull-down的電阻值不能太小,不然會有一個strong的向下拉,如果你的輸出級不夠powerful,很有可能會讓輸出級保持在"0"的狀態

finster

1. 不一定,因為不同廠家所生產的crystal,其crystal model都會不太一樣,所以換不同廠家的crystal oscillator也許會起振,也許不會
) H. d3 q! n; z4 d  _& z    不過,通常都會起振,因為不同廠家的crystal model不會差太遠
2. 不太了解你這個問題要問什麼
    基本上,crystal oscillator 的放大器用反相器或者NAND都可以,用NAND只是要有控制腳的function,而在disable時,輸出要為"0"或者"1"或者floating都可以,但要看輸出級後面接的電路能不能接受"0"或者"1"或者floating

' K: U9 i! V1 x; V& x3.這個你可以看一下振盪的waveform,我在猜可能是你的振盪振幅太小了,以致於在schmitter trigger後面無法trigger後面的電路,而加了一個buffer後,把振盪振幅放大了,但,這個buffer會因為schmitter trigger的輸出振幅太小而會讓這個buffer有著極大的電流消耗

finster

你的振盪器的原本振盪波形的振幅有多大呢?接上schmitter trigger後振盪波形變小多少呢?
另外,你schmitter trigger的vih and vil又各為多少呢?

) x7 ^" x/ ?) y2 ]+ ?- A$ T因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題

至於你問到要降低消耗電流,這個問題需從你的振盪器著手,因為你的振盪波形並不是0 ~ vdd,所以接在振盪器輸出級不管是反相器或者schmitter trigger都會很耗電流,解決之道惟有改進振盪器的輸出波形
5 j7 d6 c4 F5 j3 i' A
[ 本帖最後由 finster 於 2008-12-1 11:33 PM 編輯 ]

finster

從你的描述來看,應該是振盪器的driving能力太弱,以致於在加上一個schmitter trigger後才把輸出波形給變小
4 O8 C5 D( o& `& Z$ q- r4 ]關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
你在模擬時,先不加schmitter trigger,然後在振盪器的輸出端加一個小小的電容到地,我想,你應該就會看到你的振盪器的輸出波形會整個變小
而這點,主因乃在於你的振盪器輸出的推力太小,以致於一點點電容loading就會把輸出波形的振幅給變小
而要改進這個問題,只能把振盪器的driving能力加大

* v6 m: ]4 V5 {# X: @, H至於你問到為何只有在25MHz以上才有問題
3 W+ K! g5 |. K+ H" C1 s這點,其實也跟你的振盪器的driving能力有關
因為在crystal oscillator中,振盪頻率愈高,所需的電流與driving能力也要愈大
0 o- w9 Q  n# y' k9 ^; D4 a而你設計用來振盪20MHz的振盪器來推25MHz以上的crystal oscillator,當然振幅會明顯被壓小,甚至有可能不起振

至於schmitter trigger的優缺點
其實,就如你所言,它的最大優點乃在於它有window特性,故而對於noise有較佳的抗雜訊能力,也因為這個理由,所以才會使用schmitter trigger
5 D) o( I4 h1 ]& ?9 H基本上,如果只是學術,用nand其實就可以了,若是業界,我個人都比較建議用schmitter trigger會比較保險

finster

關於crystal oscillator耗電的問題,這個其實並沒有一定的標準
因為crystal oscillator本身其實是蠻耗電的,除非你是設計32.768KHz的crystal oscillator這種才會設計成很省電,不然若是5MHz以上的crystal oscillator電路,它本身的耗電程度都在mA等級以上,這個原因是因為頻率愈快,它所需要的rise time/fall time要愈快,所以放大器或者反相器的耗電就要愈大

4 }* T' i1 y3 n4 e& t若想加快start-up time
最簡單的方法則是加initial circuit,讓crystal oscillator在一開始便設定它可以振盪的電壓準位,提早讓crystal oscillator反應出相對的phase差的振盪
& {1 d* m# [( E) D/ @, W
至於第3個waveform情況,你可以把輸入信號秀出來,你就可以知道為什麼了,這是因為crystal oscillator尚未達到穩定的振盪波形,所以輸入的waveform振幅會有點忽高忽低的,以致於schmitter trigger的輸入會接收到變化的電壓,故而輸出也會不穩定,這是合理且正常的情況

finster

原帖由 camilla 於 2008-12-22 09:21 AM 發表
: X" R$ u9 P/ }; S1 R謝謝finster版主~
1 l  c+ ?3 `" \7 v, l  \8 D/ ~
應該是我電腦問題~可以看到你的回覆了~謝謝~

我了解我問題的原因了,不過我對startup time總是不了解,
0 T/ X! N0 t4 g6 x( r6 ^
' t$ r* j8 P  w% ~. s0 p. E1 }我是想有無辦法不另外加initial circuit來加快startup time嗎?
! x( u) D* F8 |
9 [/ i3 g7 a1 L# ~我是想說可以改變現 ...

* L! n4 Q  ?0 z5 a  X) u. C, h先回答startup time的問題
在不增加initial circuit的前提下想加快startup time並不是不可能,只不過要先理解crystal oscillator的理論,而這方面討論的paper只有早期的IEEE才有,比較偏理論,你可以研究一下
( w* c. i7 \! g" Z5 v至於你想改變外部r,c來加快startup time,這種方法的效果有限
因為只要改變了外部的R,C值就會間接影響crystal oscillator本身的穩定度等issue,有時也可能會造成不起振的情況,所以若要改變外部R,C值,個人是不太建議你朝這方面去作

每一個範圍的crystal oscillator都有一定的design需求,目前很少有一個電路能夠涵蓋4~25MHz的range的crystal oscillator
目前大部份都是針對某些特定的crystal oscillator的頻率作設計
. [1 Z3 F- }0 ]7 L8 A$ W8 g而且愈高頻,其crystal oscillator的考量也愈多

finster

以目前我所知道的startup time的定義來說
它是指crystal oscillator從一開始沒有任何振盪到完成振盪且穩定的持續振盪時間稱之為startup time
% a. i, z% `2 K7 @
因為我們在模擬crystal oscillator時都是以vdd從0V昇到一個穩定值作為crystal oscillator作為一個初始值,所以有些人就會把從vdd的0V到crystal oscillator起振且穩定持續振盪時間稱之為startup time,而這種說法其實並不是非常正確的定義

不過,目前在startup time並沒有一個很統一的定義,而我所知道的那個定義也是從IEEE Journal paper上定義所知道的,而那份文章是很早期的paper,內容寫了一堆理論和公式
/ W- s: |: o" j( x- m
最後,crystal oscillator要作到4MHz ~ 25MHz並不是不可能,只是較為複雜,以前我也作過,後來我也只是覺得沒有必要弄到那麼複雜且麻煩

finster

關於spectre與hspice兩者之間的差異
% q, R+ S5 J  m% K這個問題我以前也遇過,只不過,這是一個沒有正確答案的問題
據我所知最早類比電路模擬軟體是hspice(我不確定以前是否還有其他版本),而這套hspice模擬軟體對類比電路模擬來說可以稱的上是聖經,其他研發出來可以作為類比電路模擬軟體都是拿hspice來比較,其他模擬軟體愈接近hspice所模擬出來的結果愈所能夠得類比工程師的可信度,只不過,hspice也有bug,也有它不足之處,而這些bug在某些想取代hspice軟體而言也許會有比較優勢之處

. t! c$ h4 V  |故而,回到你的問題,hspice和spectre兩者跑出來的結果要相信誰,基本上是要相信hspice跑出來的結果,只是,不知道你會不會誤觸hspice的bug,而這個bug恰巧是spectre所能夠避掉的問題
以前我這兩套軟體都有跑過,95%以上都是相同的模擬結果,只有極少部份才會有不同的地方,而且只有在某些很特別的情況與應用電路才會有不同的結果出現,所以,建議你先相信hspice的結果,然後再推導看看是否合理,若不合理,則再回過頭來看看spectre的結果

至於startup time的問題
2 v6 g% \: `; n# y( K加快它的速度是我個人從PLL的應用電路中的經驗,然後應用在crystal oscillator,因為crystal oscillator要從0V一直起振盪到欲定的電壓準位需要一段很長的時間,如果可以應用initial circuit便可大幅縮短此一時間,因為我在PLL上曾下過不少苦心,也作過不少,所以很容易就把PLL的initial circuit應用到crystal oscillator,所以我才會說加入initial circuit可以改進startup time的問題