CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
6 u) ~5 w' n, `6 s3 Q* A$ 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!
3 i& y% C# q+ Q( P( q
0 s* U2 P8 H" i, x3 B电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
. L% E4 y) |# W  O' n, Y
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)
- H6 p& E8 e9 f0 E% J& f9 x------------------------
* source 100K
( I  r  A' z* h7 r: k# Y.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
* H% i0 I, y0 z6 u! H1 Q.UNPROT
- e7 L; h1 y: A& l: I+ h9 d* kC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
1 N5 s- a! {, V" N& t# K/ I4 \M_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
* c& D) P. A4 K! s8 G+ ^6 e+ L=16u  
+ S0 A6 a6 C7 w* i+ W=0.8u         
+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
/ F( `+ ^" n- ], B  k: a! lV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
1 T  B% x- Z& Q" P* Q' AC_C2         0 VOUT  5p  
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
R_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
0 Q2 I$ V0 ~( _* ~( b.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
* p1 j# E" T7 M( Q: J% ]% ~" `4 w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

- |8 t! Q& j: E' ]+ L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
6 N6 k/ B% J1 u( T8 Y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
. o+ i# W0 V" d) lHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

$ n5 v6 {8 L5 x9 H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
2 t' w) X$ W- p1 N! Q5 ]1 r* u! 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
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,
5 m9 C  h' M; N* _( j* N& _- ?- p* c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)
$ Q( e2 Y1 H6 w" Z% l# r還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
5 j( W/ c: {! Z
只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
  H* [1 k- Z, [2 N; d(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.
, s' `5 O; E3 T+ b$ u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.
小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
; X2 ?8 k. y6 p5 H, L在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
2 t$ n1 J: Y$ J& V  j1 }想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
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．
+ c. S0 c4 S2 z: L1 {7 E# d- m  @IC=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
; q7 C" W9 l+ O9 L! H$ D& U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
' F- X9 \* e( A% M結 ...

; p8 g4 d' w. \) j$ P% N9 q
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
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....
4 H1 Z7 M0 t3 Y. l+ `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?
- e6 Z+ w% G  w  j. W* n+ A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?
9 A  [) b' X" x9 _' P: G( B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?
  m  t! n$ f& e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
不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

4 Y& h) [9 W5 P8 U嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
# \/ M4 a! |- b) [. _; m除了 網路分析儀 外
還有一個 小方法 能 簡易評估
$ I$ Z1 m2 \- O% h  X
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
( A. ^  E* j. A+ b6 v8 J小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
# R; S( }2 _7 S, P7 A我是design一個32.768k crystal osc
2 j3 T+ @# s# ?+ L8 p" ~5 z5 ?" _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
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
. |  o8 Y. ]9 R7 Q0 L% P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)
- V' z% e, B) e, E* Y- P: D9 B9 n0 ]1 ]我當下是覺得探針類似有電容的效果
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
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
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
6 a3 Q- Y- Y/ U/ L$ wic 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 ...

不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
1 {' y, E( p) C7 z所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
/ @" q4 E/ R" N6 B% I8 g( ]& i. Y. U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



1 E- F* ?5 t3 s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
, ^! X  b& d  ^# L! V* R, _3 z# N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 ...

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
0 j% j. U! H( n" J. g" \2 U到底是什麼阿
. \  X7 D9 c1 |: p5 A有沒有參考資料可以閱讀的
或是哪本教科書有提到的
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
. D( ?/ _# e! p, D0 [. a總算對負電阻有些粗淺的了解
" K1 F6 a' i/ N* M4 V
& {0 ^3 o4 _' g2 Q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
" y& }3 K( C$ F& ?算是可以正常起振
0 k9 [+ G" [- t$ D
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
) z7 u! W$ o. o1 A# A6 ?4 d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
7 A, ^8 j8 {7 |& M6 C9 T5 Q7 B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
# {* m7 l  g9 o0 H& f5 b但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
7 G$ j8 @, n" O2 y9 g0 H* M1 T- v) r以上

ilovehorn

給monkeybad
0 n1 k6 Z3 T" Z
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
9 Q% B9 w! d, _1 l  W2 k兩者會有差別

如果要用並聯的方式討論的話
; ~3 a# K$ a- A5 c- }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
2 e% X7 H) s0 L, Y7 S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)
; j$ w2 {7 e$ e7 i! Q9 j: {1 ~應該就可以起振了

另外有個問題
, L: M, Z# Q+ {! y/ }2 V' u1 m不知道在圖二你是用什麼方式把頻率鎖在震盪頻率
* q6 o3 D1 P: m3 \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
, b* O- H7 R8 K$ S; A5 s
4 H' K9 J* J' S& y. E5 {' g* [) {一點淺見
有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
# B, }" N; S) T0 _4 `我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
/ `  }, r5 a: Q* d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
) Z( }+ s  q: b7 N, f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
9 S& z% n$ o9 b然後負大於正就可以起振
1 O/ B) V. X9 Q3 Y+ W; e
" ]' t1 S8 A" v$ g9 Y+ j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
% E( y% d5 Z% J+ |; T7 Y! H" |4 Y" p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
+ f) i  h, l) M6 b& u6 E0 A7 T不知道這樣合不合理
5 n4 O5 X  m" N- e- c: S謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
- k9 T( V0 {: ^0 p2 t
Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
7 z! z1 F+ X% n2 N1 Icrystal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