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!
3 |1 V9 x8 p2 c% u! H现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

. J9 o2 A3 o1 t4 M/ @: r( e$ e8 j, W电感初始的电流设置如下所示:
3 V3 V% f! H& _9 r1 w- _* bL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

+ e3 p$ S- o1 I( M$ a注意给电感设置初始值要不能太小!
2 L7 p5 y( i. ]5 u& V# Qhttp://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)
------------------------
" w5 C' E/ }. U+ ~" E* source 100K
2 q% R! g% K5 p. h  [.PROT
$ d  M/ _0 l8 e0 ?: T2 H.inc 'd:\hs\lib\level3'
: I$ [, n) r# k+ H.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ e& o- f5 e1 U8 E+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
+ W=0.8u         
& e7 B; o! u! ^1 k  f! D+ M=22
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
R_Rf         IN VOUT  50meg  
) m8 v; f+ D# S* H& Q; J1 |C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
3 f0 s, Y& i$ y/ y1 L4 t.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
- U1 b$ s8 ]/ m$ @
- g2 j9 ], i  A  Z看了討論區的文章
同意裡面的講法
9 w0 V) c( s, w/ K: b+ z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
) |5 W. A8 J6 X, f) ~設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
9 |8 T  `  l5 I  B' X& E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...
$ H0 a( O* }  w3 q% l( s* Y% z% y3 W
! ^2 B! z, [: j" r5 d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...
& `) [; x- a# Z: [- K
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
1 p. A) ~4 |& \3 g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
4 ]8 v- l) V" Y+ p$ ?( B  I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,
4 F. @3 t* O) }3 f# \4 \% ~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)
4 \/ E9 C: Q2 b& Z還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

% u, j0 }/ Q7 J6 Z  U只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
/ i3 Y* |# @& P, F: ]: d! t& B2 Q/ Q(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)

7 G+ @7 |! ~* k  x7 _; _[ 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.
: S9 B2 ?+ K/ C& T5 T6 \  s, m小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
% H, p7 ]6 I2 R! m5 \, F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",
& [) @4 v: W4 w& V! k2 y在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
2 N7 u1 U! m/ L8 \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．
& B# N0 @" B- L3 uIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
, M  v9 v1 {9 ~; i5 `$ CIC=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
) h0 B. l" G/ r3 \9 _) x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
& k) J( p8 F( \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 ...

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....
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! n9 D+ y1 p: U/ i- _9 U0 l+ 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?
( _7 c$ ?% [5 G4 i  x5 p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
& y2 x8 Q* `4 E8 g4 P! r! ^不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
! N4 p" {7 p1 O7 w# s, T% \! o5 e
( d! n+ @( y; p* m- c. L# z- z" ^# R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
. p7 E/ l' h2 c* h" D4 Q1 G還有一個 小方法 能 簡易評估

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
  F; T1 I( H( `# g! |对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
" t4 h/ `- _& B( r4 q7 y3 O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
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
# L$ E% z# G$ C1 ~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
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
; T4 @5 L0 P/ v7 Q; O4 [& Y; D; q9 H還以為是noise的影響
5 t! y( h: E. ?3 u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
) S, t+ R* U  o# p8 A$ r. f& B我是design一個32.768k crystal osc
# M4 s2 o+ F) ^+ 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 ...

/ q+ @6 M# {- r5 a0 q, F; }
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
& D( s! w# J; j0 K1 L4 d/ ?& X所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
" @, _+ I/ a5 k* c" V0 r2 w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
$ O/ r6 _) J0 ~. Y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

# H8 W6 W4 y7 Y: O4 L# x3 W0 k
& Z/ S' i3 q% W- v4 r" f, n4 v3 A
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 ...

- l) O' o+ ?- d$ C. \
" W5 ]2 b- i7 t. |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
或是哪本教科書有提到的
) J* h8 c6 Z9 j, x2 x我初踏入這個領域什麼都不懂
% J  P: |( B! J% R# G謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
; a3 S# k9 B( J1 ?. C9 @- ]+ u2 u+ C( r我查了些參考書還有文件後
: W5 T' E6 ~( r總算對負電阻有些粗淺的了解
8 k' u$ Y! _: u
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
/ ?: [8 F1 j* V- D% b% `參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
6 _; B: n/ r8 X7 k' v3 a! B算是可以正常起振

$ A2 c& e" n, F5 m9 ~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
7 d% D. n1 F! k5 q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 Z7 w7 [7 q7 _3 m4 V但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
% y0 ?% L$ r7 r% M4 ^以上

ilovehorn

給monkeybad

我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
! _( X  l3 I) N) d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
/ y+ ]  [4 R: `" y: I. m# m) L你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
& j# W$ P* b; r" I兩者會有差別
& c1 J1 m. @( K# m' @2 [
/ }3 o" Q% C* H0 c/ X2 w8 h如果要用並聯的方式討論的話
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)
/ S# Z% D; i$ B- M% o應該就可以起振了

另外有個問題
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
+ y: R) C: O3 N# v5 Y/ f; h# e# m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
有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
0 c# c. Y% P% B  a2 V# \1 x( j只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
4 \  }4 f7 h* e  f它其實是Crystal往外看的等效電阻值
3 x! u/ O; C9 F1 [2 T所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
6 Z; I4 N  U  i+ ^/ i4 e# |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
! V( E+ i, X, Q' }( }( _
另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
1 d  n" S; Q: R7 s; U* I6 [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!!
   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

Thanks 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