CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
8 T7 m# E& }' u/ h6 r6 }4 p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:
" f# @# _- [! o  J& EL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
7 X  p. G0 H8 a# {. j6 N
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)
3 r/ q) w& O  l6 d5 j. U+ D------------------------
5 j& _5 X! i7 g8 l$ t- i* source 100K
2 p4 G3 `& Z; l( Z( Y% B, J9 T5 A.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
; y, }/ ?5 Q* d' r5 c; M.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
$ Q7 g# {. @' w8 e6 ?% BM_M1         VOUT IN 0 0 n
/ m7 P9 u" ~4 [( q. I4 r$ e+ L=16u  
! I7 B7 g1 h4 V, N' s( o+ W=0.8u         
+ M=10
8 _" V3 `+ d! \- e( bM_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
+ W=0.8u         
# }4 ~6 v* F8 J/ @& [0 z5 F+ M=22
/ o9 x' F) s9 hR_R3         IN N11450  18.5k  
9 I: x0 a7 P/ [" G, J, e/ lV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
% \- J: m' y7 g/ mC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
8 D: ^7 ^) G* n7 y+ j# }L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
R_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
0 d% K, ]( F# W.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
% U, r. ?3 \5 J5 }- ]  }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
' e3 G7 {; ~# O% J7 u! f4 h
0 n' y- b' A: k2 r* V4 c看了討論區的文章
9 U/ M  g9 z2 s) e0 ~3 D9 E7 [6 w6 I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
1 P8 ^" n/ E2 s% s- V5 A- t9 [' J: `* H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
! a" P9 i! k7 d! {+ ^: ]HSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

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...

# L# ~! P& \1 M4 g% ^1 i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
& i" z- B% }' W$ v& g- B2 c$ k" L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,
, r2 J- Q' [7 f  }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..
' j' l, o) I3 P! A
- Q5 @# O4 p2 S  w) f. H2 z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...)
# |; \6 H$ d6 Q: p; T7 Z- o
6 v9 E0 |# S" f$ i[ 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.
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.
+ b5 l8 N9 Y; ?: p7 t& ]6 |小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
) l  S; B/ j" U" d% W5 x( c/ D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??
5 n( x, ~( S+ D; ]- A% Y- j/ y謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
. H- n( `7 V- P2 r5 f4 v+ c1 N5 d) _對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
! t$ m/ D- U; o( L3 J; qIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
/ w, ]: {$ D. X+ G+ \: l2 LIC=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
& ^4 s2 J, {- G8 @9 I# m昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
9 ~" q; A: m6 X" H1 R. y: B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 ...

. d0 V1 m- i; f+ h1 d( ~7 U
+ c2 @5 }; e1 L5 U7 R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
3 e/ F& J# a) S/ n8 k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?
. M0 l1 O  g5 d* Y/ s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
2 R: s' u# p/ a- q: i; a  K不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
  M5 R$ ^# g% c- L
; x. e/ {$ O  }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
0 f; A1 Y9 q/ V9 N! C7 W) N還有一個 小方法 能 簡易評估
: b7 p: m& H) Y& H
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
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
, `$ y$ R" `4 U3 vic 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
( ~  t" }4 u, |: v7 u" y) D, 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)
我當下是覺得探針類似有電容的效果
& L7 z+ G# Q+ X' a/ d9 p# R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
  _1 d$ y$ ?) Q3 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
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
) r# y; ?0 {/ H: h8 Q  i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 ...

/ [, n# E/ i7 ^1 i+ @7 q
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
8 l8 h" q& ?! J( m+ G) [  d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
7 i0 d, b# Y% S+ I- e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
! |, [6 r2 J  A8 |9 c# m! O


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 Crys ...

5 e0 `/ F6 ?4 q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
: @; Q2 r1 o% O9 q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
4 P. |/ `/ \3 I- ^9 T% P4 l我初踏入這個領域什麼都不懂
$ I, {' c( D$ v. u3 \* A. k) @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
! @4 R9 I2 T/ x. Z: n總算對負電阻有些粗淺的了解
- i1 T/ y) u& W4 x! F( |7 I( Y- x) j
  [& j! r( h/ D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
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
* b* F$ U0 ^! `1 S. r' O4 c, 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
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
3 [- w# Z1 S% y  a9 {4 G但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
! F# ~7 P7 P+ N3 z' r7 {7 L以上

ilovehorn

給monkeybad
" ~. i9 a1 r4 M; F. K8 c; W8 c
" @$ m5 Y) ?% ]: ~5 {) o2 E* d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
7 R. v( r/ l% \3 B2 H你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
/ d$ x- V- m% F1 S* n- L兩者會有差別
. n; g( ^0 Q# m- n) h8 }9 T
如果要用並聯的方式討論的話
. F8 i% ~9 N/ l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
0 ?( \" m4 t! U# P6 B& X7 n: j
* I+ n5 @1 C4 N- O+ a另外有個問題
0 H  f8 y' X, A) A& |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
震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
( A8 b5 |$ H$ Q# _* Y/ v# J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
, m$ @/ ^% `: `! n6 j% D" E& r4 h
2 K- k. t8 m" g, S2 ^一點淺見
1 [' e8 c+ \* C; D, z& q有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
; Z* L: s6 h3 v1 O: ?" @我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
4 L5 U4 O- n: ^) N只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
+ V0 _+ {3 f. f3 ~' a( W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
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
- B) G/ H7 W' M1 [2 m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
謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
5 v! K. u6 q( [& h" z7 f   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
0 j- z+ {( L9 A) }7 j# N! N$ X3 t
: @+ q- ~& ]0 }. P5 OThanks 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