CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
9 m% Y! |3 m8 z+ w8 w, ^7 U7 }; O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!

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

6 n' ~% V8 n( t% `. O- \5 d* q! ^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)
6 s9 V; D/ f6 r1 p/ y. L------------------------
# v$ Q# b1 {* P- P& G; T* source 100K
.PROT
6 ~% T* n* ^) q6 _: g, B.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
) @; M: \/ T% |* D" Q! w0 aC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
* ^# A- C3 H: }+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
8 o1 L$ F8 v8 k1 T" D- x. e8 x2 A+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
) ]$ }! L: g/ }. pV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
% g3 v: Y; A  F1 cC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
# C2 F" |- m) y( {8 f. AL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
. l) o+ K! p8 M7 R7 i7 p  }) n  CR_Rf         IN VOUT  50meg  
' _" U+ J: v8 HC_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
& v6 n, N1 O* T.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
0 a  u6 a- u) N& J2 J+ I/ }' a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
' C7 o6 B& `# P! Q
( L; Y& y* l6 n9 r+ q) S: ?3 S看了討論區的文章
; x( J0 i2 N( e! _! p同意裡面的講法
) N$ |: _$ C; p0 S9 Z, S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
0 f* |; L2 g& u6 K! K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
8 S; Y( M" X5 _0 \* t+ f/ fHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...
  M1 K, U) ]# A, u. x9 t/ @
3 R$ t" K5 n7 [1 \. M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...
" \/ J2 v3 _3 F2 J3 r# E! B* O- g
$ r; \9 [8 y5 x1 b2 s  Z" \# }( q! ^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
# z5 o" ~- H( v+ n# N6 C0 s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
2 h% u* Z; H& o% 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,
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)
5 F: [4 A! Z+ X/ I還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
; x/ R' E7 O3 M( i+ O/ n
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...)
3 x# _6 e  ]6 A* R  M+ Q
[ 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.
# q2 y3 t$ |  ?4 R& C& d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",
在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
" M' T) ~" _7 d5 e8 z( _4 a$ q5 }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．
0 ^3 C+ f& w! E; p% X! D對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
! E) A  a2 f/ X7 XIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
4 a) M. m  K8 J4 A+ O3 \2 gIC=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
& H9 k7 L1 s2 ?( [; M; E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
& Y' l/ D( W$ T) L8 Q# F8 h+ h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
2 Y$ u) ?, P8 w4 ]: \9 j5 B% I結 ...

8 h& I! n5 ^* a7 F: h, b
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
8 t! w" R. X( O" y% [4 e% g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?
+ X* O  N" V+ V1 J6 m* V5 d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
8 A8 q: K" h8 E3 L* J* Y( O5 E不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

" x: M" h, U- }; r/ `+ y! E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
還有一個 小方法 能 簡易評估
+ ~8 b3 H! u. g/ K& P
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
. `- z) `3 ]& L0 E对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
8 T6 p( U; s, m; d' u; s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
2 z3 w0 l$ }  M( D4 R所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
: t6 p7 K- z) k/ i/ h我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
. _' ~; j+ ]; k" J) G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- ^/ o+ N' l0 j我當下是覺得探針類似有電容的效果
! a$ @- m4 Q* e: B" x* g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
% @3 N* S" e8 R' M2 l) K' n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
) P, K) A/ x! N4 g$ o7 W3 T7 \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
& q4 g2 v/ |7 |2 i3 p& w- g# U感謝finster分享
% u# R+ j* k8 w' q# W# W6 _小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
4 }! c& _0 P6 U0 k  z我是design一個32.768k crystal osc
0 `  l& r/ ^" }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 ...

) w. c5 O. w* C2 m0 I$ |# R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 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
+ b( u- h# D6 p; O; w4 g
) v# Z$ m9 E- l/ V- d  f
9 o. J( [' [  Z. G, a, I
' l) `$ S) W" R, N- K* ^: {; ]不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
) x" j& n( E2 G" d% J7 `- G所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
+ R: _. \  R- V8 F6 D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 ...

; X! d, G  {0 n$ q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
6 g: [: p7 \; M& s1 S2 O有沒有參考資料可以閱讀的
或是哪本教科書有提到的
/ }+ z# R7 Q0 K* f" b7 Y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
. K' u) W- H/ J7 B0 r, n我查了些參考書還有文件後
3 B& Q' H4 ~) j6 R: |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
& r4 F& O1 M# L算是可以正常起振
  K" ^) m$ a1 a, V$ J5 f
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
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
0 {8 F! o2 X2 O, K% {" J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
( v. P: P, O. d以上

ilovehorn

給monkeybad
$ ?4 k: K% o" _/ P! V! l. Y
+ r# z( D0 ]+ a( g+ X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
兩者會有差別
1 E1 L* |( Q0 B& u" z3 M% {2 ]5 ^
1 {: F; d  o6 u( m$ o( `) A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
" {1 |9 |8 Y- d$ S/ d- k; M' ~) d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)
9 b: w& T- ]( T+ n' t! l應該就可以起振了
+ C% h# b. F0 t, j" S
另外有個問題
: B/ i8 }. C- _) ~3 b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

% Z; |$ l0 j; t一點淺見
/ f$ P1 k) [7 U$ T1 f5 O5 o; ~有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
: S% Y" B# a, P. e4 A我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
4 `( {7 c1 V. Z( J" g2 U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
3 B! z" _% d: J! C; y! U- T所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
. y+ i( y0 F4 u+ s$ K- `" q. R( w還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
" S! |# T) r4 Q1 k# z) I, y這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
7 R$ f5 k4 w7 s6 N, e* H然後負大於正就可以起振

另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
: y" z; I  h+ L3 |3 r; V  ]在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
- \% [6 w+ o# ~8 K0 a* q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
6 L% l  _" x7 A9 c4 G* i6 O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