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!
' ?. V. s. ?9 V( r$ R+ x. |" u; x现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

( I' H! F: ]) H! ?& N电感初始的电流设置如下所示:
/ J* \: F+ F) M# t/ Z% ^9 \  [- UL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

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)
5 d/ X2 E, ^( }& d' o8 d------------------------
* source 100K
, p, i* p) r. y3 ~.PROT
3 W* q- W/ `, C. n.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
! J# u1 E* m7 G0 S+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
* y4 Q) R' t5 r( g4 V+ L=16u  
+ W=0.8u         
8 N; u$ {9 V/ h  _% p8 c+ M=22
1 |, C1 `, W/ I6 [0 @9 }R_R3         IN N11450  18.5k  
V_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
9 J& r6 L. a% r* X. p9 N; jR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
) o2 U+ l6 S2 R.tran 1ns 20ms
6 H' W: L! I% i0 D.probe tran  v(in) v(vout)
.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

看了討論區的文章
- I3 n4 x3 D- r: z: _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
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...
8 C) A& d" D; V# u
8 i) n# S7 A4 e+ c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...

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
0 V9 b, X. c7 H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
$ H5 U) o! V; ~* `  P$ n6 K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,
( p3 w3 D7 g2 A' U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)
# J: d! _# j8 {; ~/ Y2 ~還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
; D9 E5 [, W, B$ ~1 P$ a9 O
只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
) h9 D- O8 W$ c& N(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.
; r" [' D1 k, V0 u& F* J小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
8 Z- y, R& G* T) H% u為一CMOS反向器加上Crystal's model.
$ _1 l* a8 ?# P) l* ?) {小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
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??
0 V# }" G1 k0 ?, c: ^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．
IC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
5 J! d% M& S6 j7 c9 hIC=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
3 t& w/ r4 C) o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
# Z& {. {* }! F3 ?( P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
# C, i; V7 B! b# P結 ...

! I7 z$ j$ ?: i0 x( f. j+ [& N  Z小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
: b! F' d: f% y" |2 v4 A3 Cmonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
* D* O+ D% E! [( I& k, H, b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?
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?
1 R8 F  b1 r4 X2 y8 I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?
0 S0 y9 }% @" h7 [9 l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
# f1 y9 |$ A6 u0 l* C5 t2 A不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
! `+ n& k0 G/ ~! @6 Q* [除了 網路分析儀 外
* F: |) R- o  s還有一個 小方法 能 簡易評估
( Q8 I0 D3 q5 r( N! w% r( }0 s* [
& j$ J$ [" P0 |3 c3 o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
4 a- N5 _" n( j2 {5 D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
3 v. x! Y8 P$ E1 nic 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
  m; C. X( d$ d2 c. g5 }所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
0 d. H# G4 M  l" w我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
% e& t1 J: P8 m/ G9 s$ G; p1 L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
. Q, `/ N* E7 c  Z- I5 {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
4 J  H  y. Q! X$ e. ^* x; V- ~9 u9 ~3 E還以為是noise的影響
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
. Z$ V1 @3 S8 t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
& g' \1 c3 Z. W. m感謝finster分享
" A. Q9 H) \9 R& ]; p5 I/ P1 u小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
" c0 _7 F2 Z& q6 S/ A! e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 ...

9 N& r! o6 w- Q0 x
& y9 M) M; |; x: K) w( H) t) b8 ^8 [
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
, j  M/ G: ~6 ]6 @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

3 t* t$ B, \7 d; ?! C
) b' `$ l1 X& @" A/ ?
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
6 P, O) N6 k7 h3 M' @9 k, q+ w所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
' s9 E. q0 B- ]" m: |- l4 C+ f$ G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 ...

) l- H* E3 F4 B# S, `
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
有沒有參考資料可以閱讀的
* G, V& T: Q( j" V; x) @: N或是哪本教科書有提到的
0 T7 d% p( S( ]6 W  E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
, t1 `/ U  J2 J3 J( |. G
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
+ w$ w. {4 e  A3 ~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

6 p' b$ _0 l3 H我的經驗是
4 z% |3 Q# G  |8 I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
3 O/ d0 h. U: w但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
/ B$ D/ M6 M2 w/ {8 Q! K以上

ilovehorn

給monkeybad
: P% A1 l9 J* s1 \( H7 f
6 r% k# @1 \8 h% @8 e! n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
$ r: F4 C1 Y  _; j, E, ?* K你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
兩者會有差別

如果要用並聯的方式討論的話
( F! Z+ I& [- b* Y  |* X% ], E0 @, r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

另外有個問題
. m* R# `3 U- E! W0 e5 k2 F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
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

一點淺見
) i' {/ [% K8 d- x: {有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
! [+ o' j$ G* ?0 v我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
. Y% h- v+ t$ O+ G& W& v只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
, f& r7 V3 x# J) `- k' f+ J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

  u/ y& m+ Y8 V( ]* 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
! L% `4 L# W% t* @% H+ _不知道這樣合不合理
4 M: [# N' m; A/ O. n: a$ _2 @謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
7 d  m7 O) E  G" p8 T# z& g   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
7 \; O  g' F! D3 v7 H
; f$ B. Z4 `( B' B( x# |Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
( w7 a8 G6 u$ W" ]2 bcrystal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