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!
0 N7 a1 `5 y: S4 s, W现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
  V# G; H7 @' A4 i0 _0 ?! q
电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
. @" A, o% T! J7 s
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)
) v, ~. |  z4 g& w3 K9 i7 P, R- p/ Q------------------------
* source 100K
2 U* M0 y' T) ?/ B/ v3 C.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
+ w( |8 b) h- T: H9 h3 F.UNPROT
  J7 w! a9 j; G' K' fC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
: j* ~; l$ b5 j) ^$ s7 g9 P; P' X; SM_M1         VOUT IN 0 0 n
0 ?' P( a) l1 S* J+ L=16u  
6 |4 \+ d% O: p3 g/ U! u* @5 ~+ W=0.8u         
+ M=10
7 u% u6 d8 p* C; z4 s; t1 \* z6 Q! xM_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
+ W=0.8u         
0 s0 |: {/ |: b1 p; I+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
9 P9 ]0 K- h" ?% Q+ t7 PV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
/ v; [7 Z4 Q3 w  BC_C1         IN 0  5p  
# R* l2 E  \6 EC_C2         0 VOUT  5p  
" J/ ^) N7 n, u' g: tL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
3 f: l) `: @, b" @$ k9 OR_Rf         IN VOUT  50meg  
. s* |8 {* P' }2 R# j: ]C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
$ _1 M) [' W1 j# t2 G.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
0 T6 X" X& p- J% b& |. {" \$ C' `/ f
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
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...
- B1 W/ {1 }+ k; W1 g$ k& 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)
* `7 }9 W8 z8 r, o5 `" B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
4 p, T  ^/ [5 `" w+ k) V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,
) L# O' L. `. n0 p  F& \$ G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)
3 u6 K  L+ m6 A6 Z還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
. ?# D/ ]3 p+ _& a8 X& Z5 z3 v2 `: X
6 a, o/ i; X2 S; B7 A9 W* ]0 F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...)
& A  r0 |- `- a
' e1 V; Q, \+ L; w& L[ 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.
小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
8 I( m6 L6 Q- S4 k. p/ ~2 k在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
8 M# s$ q3 G* x, _) Y2 J想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
* X' W1 C# I/ O$ x6 S# o2 q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．
) @1 k5 P3 F7 t9 ^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
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
; z/ M3 j% i! o: [# t, J/ h結 ...

/ g3 B, ~. R3 P/ b
/ a% B9 I4 o3 }; s小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
3 |- `4 \; X! W5 n/ ]- @monkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
3 |# i- q0 Y' X- }& B8 e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
5 q7 t% @) n4 }$ z8 e- g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....
7 ]4 N' {2 f* [/ g8 n: _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?
, F9 B! c4 D5 r4 z; J0 L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?
+ z1 y  M- f$ r5 Y" C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?
/ A, ^, u, I) M2 K3 H" z( A8 [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
3 ]( p* ?0 b! f" w2 q
( R( k/ x* |/ s, b嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
7 E2 B& J3 v, A% g  Y除了 網路分析儀 外
5 {% k, e# ^2 Z, b還有一個 小方法 能 簡易評估
$ v9 B. r6 E' J1 f
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
4 i& u6 P: {1 o: 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
  Z/ ?: ]- c4 a6 K4 H! z所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
- }) d" b- T2 S$ F我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
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
  U9 f8 U; J( X9 o6 p7 t" \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
2 u& B+ {# G( @/ ?) D) V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
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 ...

- y9 j/ w8 t& E4 q4 z" q* D
5 I8 c0 A4 e8 P/ T+ {6 ?1 ^
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
4 M1 m5 E" C% B8 l, [9 s7 {0 x4 ]所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
2 h* A: r7 z0 y  I- {; B. k$ x0 \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



不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
7 @3 E) A; U6 ^/ U1 f1 x; @8 C# x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 ...

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
3 F% l8 s- u' I# j; S. S0 Q" {/ Z" n到底是什麼阿
! j% L( a' o/ m- H8 I% l7 H. W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
$ Q8 \# J* t# C6 S* k我查了些參考書還有文件後
' n; P# Q* W7 |6 `) f# D5 m總算對負電阻有些粗淺的了解

2 k1 o0 V/ Q2 c  e" W9 Q1 m: R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
( R* A& M" y! I! N2 V. M
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
" f( K# S: h% y8 x4 f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
9 q0 n6 v) P; j; E& R; ^7 t但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
以上

ilovehorn

給monkeybad
( h# m  Y, x0 _/ G1 T/ D; T7 [- q
, e  M# \8 O3 g" n% x我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
5 o5 ?0 C, `: Q1 [; O0 s' ^2 u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
兩者會有差別
& i: T# B7 O  D
1 F7 F) x: E5 D) m. V. C如果要用並聯的方式討論的話
5 p4 X8 Y1 A) N6 U  t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
# U' i$ b3 s' M# w, W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)
4 a& a7 T- Q  M" I2 d" B應該就可以起振了
3 b, C8 F) Q6 [" E+ L. J
另外有個問題
% s# `% k5 d+ o2 Y9 R不知道在圖二你是用什麼方式把頻率鎖在震盪頻率
9 B( M* o* h- ~如果把石英拿掉的話
- O! P  i& H2 c7 q  `$ U; @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
2 h% w$ g' o4 E0 N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
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
所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
! o' s3 w, Q- W: P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
3 E" Z3 E$ d! z  `0 K) ~* H, I然後負大於正就可以起振
7 O. @; q8 k4 C* L7 o. Z
( ~& {$ i: b* P: M7 ~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
$ U/ |& y+ G$ D' p4 E- o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
' t$ S: V5 B! G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
' Y$ U  m5 l8 I0 ?  q; b
Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
4 o0 f% b7 e  J0 h# Qcrystal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