crystal oscillator不起振~

finster

從你貼的模擬圖來看,確實還蠻奇怪的,因為這個現象照你所描述的電路來說有些不合理
$ z9 C! h5 ]2 m若你已在反相器與C2之間有接一個傳輸閘了,在disable下,反相器的輸出應會被拉到vdd
而你的情況卻在vdd ~ gnd的任一電位

你能否確認一下反相器輸出端傳輸閘兩端的電壓各為多少?傳輸閘的PMOS/NMOS在disable下時有沒有電流流過?電流值各為多少?
6 f" h) |! ?3 e; I另外,量測一下反相器上方那個電阻在disable下時的電流為多少?
( o9 ?' @5 E6 q8 U- x1 x
" }9 ~7 P+ Y" @% o2 D* r上述第一種狀況是針對反相器後的傳輸閘作測試,看看有無正常動作
: c5 X# s. F; ]1 Y$ [至於看反相器上方電阻的電流則在看為何反相器的PMOS在disable下的動作

9 u  g7 W. _4 F" f' B& x" P7 q5 n最後,若你學長都需要用到C1和C2兩個I/O PAD,那你的反相器的輸入和輸出端一定要加傳輸閘來隔開,不然,屆時就會有問題

camilla

再次感謝finster版主~

5 ^7 e( \0 `1 E; e. X. o) [我想確定我和版主所講的輸出是同一點嗎?

我的反相器輸出是會為vdd...但我現在是不清楚在圖上所標的vout在disable應該是要什麼情況呢?
% D$ W. I8 P8 X  n
是介於0~vdd嗎?還是vdd呢?

因為我是想說在floating時不是輸出在任何一點準位都可以嗎?
, C5 n# s; S2 E3 W8 P; N% }4 ^
因為我想說我上次貼的電路圖是不是誤導了finster版主了...怕說我們兩個指的輸出是在不同一點的?
) Y# ?; [+ R6 X4 X2 [: Q. m
  x! T4 P+ e0 t/ s$ i6 V再次~再次麻煩各位前輩和finster版主了~

finster

從你目前所貼的圖和你之前所模擬的結果來看是一致的
就如你所言,先前我所說的節點和你認知的不同,所以有所造成誤解
依照你所標示的Vout,它確實會是floating,電壓應會介於VDD ~ 0V之間,更精確來說,它會略近似乎於C1上的電壓

camilla

謝謝finster版主~

那我可以放心了趕在月底下線了~謝謝finster版主的耐心指教~讓我受益良多~謝謝

camilla

hi~finster版主我又有新問題了~不好意思
( {; l( R: o& r! Z, X3 J+ _
我layout都沒問題了等著月底下線~

因為在幾篇paper有看到利用相同電路,但crystal model不一樣(原本是13MHz,現在想說看能不能使用在更高速的10M~30MHz)

但改變crystal model後只能在20MHz下正常工作,更高速20MHz卻振福很小(有振,如附圖)

我也有想過是driver不夠,所以也有加大但還是一樣,應該不可能是反相器不能工作在那麼高頻率下吧?!

$ V( e2 U: x0 B( N# `& d4 G: \這試什原因呢?在我不改變其他元件情況下(頂多改變反相器size)有什辦法能解決嗎?

p.s 圖1是模擬出來的結果,圖2是局部放大的結果~這個應該是有振吧?只試振福小到可憐~
5 O& }6 L- s/ r6 l2 v8 d. r
請finster版主在抽空幫我看看~非常感謝~

finster

以crystal oscillator電路來說,廠商會提供一個外部參考的電容值和回授電阻值作為參考
% b9 b! `5 u9 Y9 K, E故而在不同頻段的crystal會有不同的C1,C2和Rf建議參考值
20MHz的crystal oscillator的C1,C2,和Rf並不一定和>=20MHz以上的crystal oscillator的C1,C2,和Rf值相同
" f" E+ Q4 z3 `
) \4 ^- ^2 k0 t' K! M' D% [再來,一般來說,大於15MHz ~ 20MHz以上的crystal oscillator,因為主頻較高,相對的第三倍頻也會隨著頻率增高而特別顯著
所以,有些廠高會在C2到crystal osciilator的output端再額外加一個小電阻,而這個則是用來阻絕(抑制)第三倍頻的功用,這個在一般的crystal oscillator的規格書上都有寫

最後,如我前面所寫,不同頻段的crystal oscillator需要搭配不同的C1,C2,和Rf,而且,它的消耗電流也不同
; k  g- D% K: e. e+ O一般來說,愈高頻的crystal oscillator的起振時間愈短,同時jitter也愈大,而且高次諧波也愈明顯
所以,請先查一下crystal oscillator的規格書上所寫的建議值,因為你的C1,C2,和Rf值也會影響振盪出來的振幅和頻率
9 g. J* Q+ u  R. q6 B
* U. {; ]+ A2 C. t# r; v' ^[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-18 02:51 PM 編輯 ]

camilla

各位前輩~
4 Y' T3 v9 ^* p4 |( `% g+ u$ G
之前因課程關係做了一個crystal osc(期間感謝finster版主的指導~),且也跟著藏在學長的ic下線了~

, ~1 i1 C5 l! W8 b# t- p5 L不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
1 U& }6 @5 I) Z3 ]! ~7 G
我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸出也有overshoot~

如圖~這應該是overshoot吧!?

- {! p: `3 S# d9 s那這個有影響嗎?有什辦法可以改善?

請各位前輩能給我一些意見~謝謝~

pmet2007

正好在煩惱這方面的模擬
% f+ p1 q: [& r有了這份參考資料依定可以成功,感謝

finster

原帖由 camilla 於 2008-11-11 01:07 PM 發表
各位前輩~
6 u4 o+ m/ R. f% x
' G0 `+ z" @3 d5 @之前因課程關係做了一個crystal osc(期間感謝finster版主的指導~),且也跟著藏在學長的ic下線了~
8 x+ L  Q4 D" X) d# h3 f3 k
不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
& u' r6 D3 m3 H! e3 q% n
我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸 ...

4 q& c* H" k4 `0 l. p& h2 A

# O  Z6 B5 z( m" N& e( h- @你這種情況還好,並不嚴重
要想克服這種現象,若在OP,最簡單的作法是改補償電容
/ m3 N) I7 X; @" J/ m1 D9 O若是反相器,減少driving能力或者在輸出端加點小電容(負載or Buffer)即可

camilla

謝謝finster版主~
# k. w: _% Z- o" V/ r
$ D7 g6 w: W" I0 i9 @9 [9 {& n你說可以在輸出端加小電容(負載or Buffer),是為什呢?

因為我在輸出端有多一組schmitt trigger,這個是我學長要我加上去的,只不過在disable時要為zero,但為什要如此呢?

7 @6 n$ t5 \' v5 R  x' w9 x我為了要使disable輸出為zero,所以在schmitt trigger後又多加一pull down,這樣應該不會有問題吧?

finster

減少driving能力或者增加buffer其實都是同一個原理的解決方法
/ Y9 [  }( t" i2 |因為你的輸出的driving能力太大了,導致在輸出為"1"時會有over-shoot的現象出現
8 ]2 h; L5 \9 V- R) Q% I4 c) I故而,把driving能力減弱,可以減緩over-shoot的問題
另外一種是增加輸出級的loading,而這種方法就是加小電容或者buffer,如此一來輸出級的fan-out就增加了,相當於是一個loading,不過,我都是用加小電容比較OK

1 ~  L. I8 G5 g' E  \至於你問到的第二個問題
0 F8 v. a* O' @3 Y6 O4 C0 `* _這個要看你系統上的需求而定,在disable下要為"0"或者"1"都是看系統的設定來訂定的
不過,你用pull-down,原則上沒有問題,但若是在實際產品就不建議,因為你是在輸出級加這一個pull-down,在disable下若輸入為floating或者"0"的狀態下會有一個leaking current path,這是要避免的情況
1 b; u) ^) z* c$ a7 U5 Z. u( A再來,pull-down的電阻值不能太小,不然會有一個strong的向下拉,如果你的輸出級不夠powerful,很有可能會讓輸出級保持在"0"的狀態

camilla

再次謝謝finster版主~
  d2 q" Y+ x( U: K7 U8 z! \9 ]% x
最近比較忙,所以現在才上來看你的回覆~
- G* H7 \" S+ H, h
前天被學長問了幾個問題他也不知道,我也不太確定回得亂七八糟的)
! O5 F1 Z6 [$ ?% N* w$ q
1. 你crystal model上網抓,那你的設計是針對網路抓的model來設計的,那如果套上實驗室現有的crystal的話,能動嗎?
7 m4 }/ ?( j$ h$ T# J" K: q
) T# x* g' @7 i* M  }2. 輸出級只是要它產生成0/1的數位輸出,所以我指要用反相器應該也可以吧?但這樣不是在crystal model floating時出電壓是任意
% H) U$ _+ f$ z0 H   值嗎?不是有可能會造成輸出級反相器在disable時是導通的,造成vdd_off變大嗎?有什可以降低這個問題呢?

9 x/ L. i3 `. [. K6 l9 a3. 我在原本輸出級是史密特時,套上25MHz以上的crystal model時,電路是不振的,我想說是driver能力不夠大,所以又在schmitt多加
0 _2 ^5 V- F% G   一反相器來推他,是可以振了但電路消耗電流卻變得很大,是我想的不對嗎?是其他原因嗎?
/ L/ D5 ?* T- k0 S
7 [) v6 W. H; W& w再次麻煩finster版主了~謝謝~

finster

1. 不一定,因為不同廠家所生產的crystal,其crystal model都會不太一樣,所以換不同廠家的crystal oscillator也許會起振,也許不會
7 m: b9 ~4 V3 p9 ]0 f2 P2 T, i- s% i% \    不過,通常都會起振,因為不同廠家的crystal model不會差太遠
4 D7 o) j' j. w7 ?4 B# c2. 不太了解你這個問題要問什麼
5 |4 d! D# i* [5 M1 g: e! j    基本上,crystal oscillator 的放大器用反相器或者NAND都可以,用NAND只是要有控制腳的function,而在disable時,輸出要為"0"或者"1"或者floating都可以,但要看輸出級後面接的電路能不能接受"0"或者"1"或者floating

& [0 y9 o' I3 S  j% X3 ^3.這個你可以看一下振盪的waveform,我在猜可能是你的振盪振幅太小了,以致於在schmitter trigger後面無法trigger後面的電路,而加了一個buffer後,把振盪振幅放大了,但,這個buffer會因為schmitter trigger的輸出振幅太小而會讓這個buffer有著極大的電流消耗

camilla

不好意思~finster版主~
+ p- _, J5 I" K# {% o1 P
我的文章沉到太下面了,我以為沒人回所以就試著自己找解決方法~今天才看到~很感謝你的回答~

. k+ s6 T4 l7 _5 r" g我的震盪波形在接上schmitt後變小了,是什原因呢?
. w' ^/ U4 j5 W: ^& g3 h' l- F
/ Q& B$ x3 y4 Z我目前有試著利用一個nand+inv來取代schmitt(因為我在schmitt的輸出在disable時希望是0v)
& c) }3 h9 O* v, O. d. ~) }3 |
6 F7 n4 l- E% V7 S' ~2 y! J3 u5 g% D. k6 h是沒問題的(在disable時的電流有2mA左右)...但我又怕說會有glitch的問題,所以才想說利用schmitt來產生一個high,low的輸出...
( E: v5 r) ~3 }0 Z9 k. {; K
若使用schmitt又會只在25MHz以上的頻率才會有這個問題,所以我不知道要如何解決這個問題...
% \4 s' P5 j# O. O" Z: {) N2 j  D
但在振盪輸出和schmitt之間加了反相器卻增加了電流的消耗,有什可以解決得嗎?是我設計的schmitt有問題嗎?(但怎會在25MHz以上才有這個問題存在)
7 ~1 W! r- C& W# r/ x
可以麻煩finster版主在給我一些建議嗎?非常感激~

finster

你的振盪器的原本振盪波形的振幅有多大呢?接上schmitter trigger後振盪波形變小多少呢?
另外,你schmitter trigger的vih and vil又各為多少呢?
) m) V0 ^9 M% @# S/ e0 e) F# p
因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題
1 |0 b! S1 |# ^! D% N: Z& V
3 ^- j! K/ E; ]" ]; t+ ]5 g8 \4 e至於你問到要降低消耗電流,這個問題需從你的振盪器著手,因為你的振盪波形並不是0 ~ vdd,所以接在振盪器輸出級不管是反相器或者schmitter trigger都會很耗電流,解決之道惟有改進振盪器的輸出波形
2 r( Z9 Y5 t' d# o. [9 M
$ t: a6 {3 j) v" L* A4 f[ 本帖最後由 finster 於 2008-12-1 11:33 PM 編輯 ]

camilla

真是太感謝finster版主無私的教導了~
# e& u( W3 C/ o
9 m3 L+ }* `5 h" q$ g4 T5 B- ~0 j我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...
/ b& r5 \+ ~1 @- s+ q  s
但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...
. A7 ]# \* T( Q0 x! i  m
9 w2 u1 F2 l9 h5 L而我的schmitt vl=1.4v,vh=1.6v...(我也有試著把schmitt的觸發電壓改為1.4v~1.5v,但還一樣,很奇怪??)

但為什我同樣電路但crystal model由25MHz改為20MHz卻沒問題,只有在25MHz以上才會有問題呢?
1 g3 ~6 |6 R2 ?& D
(其它頻率範圍下振盪波形依舊會在接上schmitt時而變小,但就只有在25MHz以上才不會振~)

8 ?4 x/ l9 [% N3 f這個問題困擾我好久了,我有想說就直接把schmitt改成一個nand+inv一樣可以達到我要的在disable時輸出為0...

! |% A7 j: M! n7 Z但我不清楚說schmitt的優點在哪裡,除了能抑制noise,減少消耗電流外...
$ {  ?3 u* Y3 m7 n+ q5 z1 f/ x
若用nand+inv除了可能會有glitch外有會有什不好的缺點呢?(和schmitt相比)

我想說若可以的話就使用nand+inv一樣也可以達到我的需求,消耗電流大概在1mA左右~
" D" O$ F" }% }4 U3 H( K1 }. [% T- k
再次~再次~在麻煩FINSTER版主了~非常感激~謝謝~

1 E) m; y0 ~+ U4 \. l% P/ Ep.s 圖為我使用的schmitt~

camilla

~又被沉到下面了~請各位前輩幫我看看吧~謝謝~

finster

從你的描述來看,應該是振盪器的driving能力太弱,以致於在加上一個schmitter trigger後才把輸出波形給變小
+ G1 ^3 ~( T3 N: G% U2 ?/ J關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
( I5 P2 w: \2 O你在模擬時,先不加schmitter trigger,然後在振盪器的輸出端加一個小小的電容到地,我想,你應該就會看到你的振盪器的輸出波形會整個變小
) }5 v" Z7 {& o: t5 p+ ?& U而這點,主因乃在於你的振盪器輸出的推力太小,以致於一點點電容loading就會把輸出波形的振幅給變小
' @* T1 k/ |6 x% `. H. h2 i而要改進這個問題,只能把振盪器的driving能力加大

+ Z. M/ [; [  s; {, k至於你問到為何只有在25MHz以上才有問題
這點,其實也跟你的振盪器的driving能力有關
& R  o. Q, X& Y9 W& g因為在crystal oscillator中,振盪頻率愈高,所需的電流與driving能力也要愈大
而你設計用來振盪20MHz的振盪器來推25MHz以上的crystal oscillator,當然振幅會明顯被壓小,甚至有可能不起振

至於schmitter trigger的優缺點
4 t4 N2 a2 c  E& u+ X% V8 w4 Q- C其實,就如你所言,它的最大優點乃在於它有window特性,故而對於noise有較佳的抗雜訊能力,也因為這個理由,所以才會使用schmitter trigger
基本上,如果只是學術,用nand其實就可以了,若是業界,我個人都比較建議用schmitter trigger會比較保險

caesarxl

留名关注，日后学习
谢谢分享。。。。。。。。
。。。。。。。。。。。。

camilla

超級謝謝finster版主的解答~

最近全實驗室都在忙年底要結案的計畫,直到這一兩天才有時間繼續自己的事~很對不起~

我加大driver後是沒問題了,不過我有幾點疑問想在請問finster版主,請finster版主能再多多指教~
) p* i9 D3 F8 _; f- o) m
( _. H" P" i0 {) b* i* [第一~ 通常crystal的消耗電流會有多大呢?(雖然不需要設計到很小的消耗電流,但我又怕自己做的crystal會很耗電)
6 z+ a2 l; |/ r+ J" @
第二~ 我想讓設計的crystal的startup time能快一點,可以如何設計呢?(我希望能快到20~40us左右)
1 z/ |) K+ A6 J! Y
第三~ 我在schmitt的輸出會有這種情況,不知道是為什?(這是一開始時的輸出,等到它穩定後就不會再出現)

麻煩finster版主在指教,非常謝謝~