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!
# l: R7 p# g9 f% ]8 a3 X; I, Y6 E8 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!

电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

$ V# |1 }* ^) ]. g3 _  e5 y: W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)
# q3 T7 l$ l1 _------------------------
* source 100K
.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
1 ^' F- H1 f% x8 z& ~# s# k.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
7 a" B1 e# ~' F/ e# h1 ]M_M1         VOUT IN 0 0 n
! f6 T9 Y: }& Z' B+ L=16u  
& a; |) t, u6 d; d( j2 Q+ W=0.8u         
+ M=10
" C4 s0 B5 t7 c; X7 f" i  s, GM_M2         VOUT IN vdd vdd p
- p9 O6 j, r  E+ L=16u  
* `) d- N( t  e) f+ W=0.8u         
+ M=22
2 e" m8 d/ B, g$ i7 Z" _) o; _  R8 ZR_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
' {5 ]# {, N5 W1 `8 i2 TC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
+ X3 U! \$ J$ S& d% y" ~' o2 O5 nL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
& ~+ G, p4 L; G* u5 k+ {3 @. DR_Rf         IN VOUT  50meg  
! H$ B8 p% P# ]" E( LC_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
4 `6 k7 p* \' ?; z* L.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
4 b, J) h$ D& v' \- h% s.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
, V" S# r+ x. k# B( n" {: H7 S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...
2 }  \" U4 _; ]4 G1 N3 M" g
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...

  H0 R9 Y- a6 {$ ?: f$ r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
$ y; P# L9 k5 {: w$ b' r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,
0 i# j8 T# v: l5 x$ a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..

只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
* ~, R' w) r2 `(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)
6 \* s7 Z1 i, O  T
[ 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.
5 D( _& d2 r# F5 F$ l, w小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
& W0 U1 S9 F0 u# V& R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 m6 m! ~% Z- N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??
謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
/ t# {9 M: J/ K% C! J+ N; H6 B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．
6 Q6 H% v* d. r; H- aIC=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
; G; h) b1 \) d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
$ b' m. j! `, k. m結 ...

小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
9 _$ h) }  @" X" imonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
+ `' J# m: ~9 P5 l8 W, j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
6 Z/ I" f: v3 ]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....
9 F2 W" F+ {, `; ~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?
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?
! y% f: _! f8 c# t& F5 J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
8 \$ L- n8 d7 P" g& X: F7 o1 ^* j% f
- x- n6 ^& ?% T1 n) C) W+ _$ C+ j( d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
- {% B0 D4 n! \. K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
: `  u+ L; F# f4 x) W3 T1 f9 r* |% q对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
, w% x# ?5 V! p+ f% I1 K小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
; O+ B" Q1 g0 \' _5 W我是design一個32.768k crystal osc
% b: s, f9 V* qic 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
% o$ P0 z' @! z9 ]: o6 s3 m所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
8 P) a5 L8 _4 m* z我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
* t5 T) r7 J% P6 h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)
" c. j3 A2 `( }- w6 K3 `. K* E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
6 W' H% X& D/ Q, Q; _還以為是noise的影響
# `3 g  b$ }* _; d5 }" x+ G, K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
, d8 M, ?% Z( e7 S( f2 }+ s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
6 D8 P1 m& r7 }6 q" O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
! P% q1 R6 l4 G) E8 u# s5 p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 ...

不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
  I1 Q. |8 D/ ~# N% C8 M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 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
- f  k  x4 y6 I0 X# f. t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 ~/ F8 b% h. U* S  q7 t( ^

3 }# h6 G2 N" s2 b8 _- F4 i0 p: _不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
# g  L5 ?8 L" k4 K3 _. i所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
4 l4 s( N3 {1 C( _$ Z5 e- |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 ...

0 i. Z7 d9 V+ D6 y1 c# P4 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
, _+ _4 u6 e7 J3 x/ l, j. C* 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
我初踏入這個領域什麼都不懂
0 x, e! {1 k" X' h7 u9 x  o5 l, v& C謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
: D3 U9 c$ E& ^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

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
/ O9 e2 j9 }4 v# b( V9 [: F7 q# B
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
% E5 }3 t9 y) d# t5 ~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
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

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
/ o/ J! u3 ^- f7 R( x你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
, X1 m: [9 r  z+ Q+ K7 T  c兩者會有差別

) o: w8 ^5 W8 |, P* [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)
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
) H2 F0 _2 z6 B4 l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
) E+ ~$ l  f8 M3 l& u" `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
$ ], B1 \$ M  g/ U' }1 @; u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
* k$ W7 z1 I( g  t" V2 c所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
) E* g1 D3 X6 t* c0 ?還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
# q' d1 z+ d4 q7 Y* z% o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
, V6 R: h* m9 f' U
另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
3 S/ |) B9 d$ K- F, x& p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!!
4 W) Z. b& U5 L+ D9 Q3 A   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
) ~8 q+ R1 P$ m  V7 c; ~
8 }4 n2 P2 ^! m0 ~Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
& C- V" c8 f; ?" M9 q/ j1 e# mcrystal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