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
9 D9 M# I- J5 ?& a. v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
7 h5 t2 i1 P+ I- ~8 u6 ?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?
! S& p. B6 P, o: |) w: D+ S4 ~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?

# z$ f9 \; K( A. a, P' F- z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
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

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~
. t* {4 a& @1 t4 K* z; |( Z9 }* _# Z
我想確定我和版主所講的輸出是同一點嗎?
, J$ B4 v. x/ u9 `6 m: C: l, O$ m, f# ~
  `) T7 y2 s5 }, ^' ^4 E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?
. z; t! ^7 t1 I, u
是介於0~vdd嗎?還是vdd呢?
3 b% J8 Q0 x5 w, e9 y2 s
因為我是想說在floating時不是輸出在任何一點準位都可以嗎?

& u+ @0 d4 n0 P4 }& u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?
* B6 Q& E6 z% _/ }  [( b- S: b
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
; x3 @3 U/ v$ f1 ?- @  w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~
0 a2 q, I8 q" I" N  M8 T- k
6 z- T9 v4 a1 z+ [+ D& x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
% E* M9 g8 d% w' E8 e: M3 l6 v
+ Q' u- Q: o) h& a, e9 {2 w1 X2 ]1 z. y我layout都沒問題了等著月底下線~
# d! ?( g7 x8 S
) Y9 L6 {- ~2 C% Z5 S8 |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)

; i* `3 e9 z- N7 }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)
8 X! Q6 S) r5 @. v8 c: _" ~
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?!
4 f  q  y2 n( ]; _5 V& b% x
2 }) G7 G) X' l4 i; ]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~

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
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

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
9 \  X% y7 `+ [& W' u1 g2 @" s% |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
( ?8 I4 Y% u( P( }  x3 a) R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
% e" b* ^; M7 D0 A* J4 S
[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-18 02:51 PM 編輯 ]

camilla

各位前輩~
; X) B5 j/ Y% l' S$ M: l
. U9 C0 m. B- |/ `( @7 _- N, {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~
+ U) s0 K* S" M6 r1 Q0 W
% b3 I1 K, v! w8 n5 @6 h) s不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~

4 P$ p/ p+ q* m7 }* ]我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸出也有overshoot~
3 f; i$ H5 w( F) I
如圖~這應該是overshoot吧!?

那這個有影響嗎?有什辦法可以改善?
) E2 G% p" W3 a2 E
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
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~
9 e' A7 N3 }6 ?
0 n& f# Y' z* V( _+ @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 Z1 r2 ?5 Y; e* c. d) E( _: @* X
不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
1 h4 B8 p: T$ i: L$ w
我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸 ...

4 Q3 Q9 w4 w7 n
0 Z( y; ?6 z2 S' y$ T
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
, P! L, d1 o4 G9 M8 y  F) j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~
" R+ t+ A0 y) i/ p3 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?

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
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
+ r/ J* f( t$ _, n& B故而,把driving能力減弱,可以減緩over-shoot的問題
0 S% y! U; [- }$ g' e- }6 v# B: x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

5 O$ C% x, F% ?- o8 h至於你問到的第二個問題
( I7 r% J" p' [& `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
. U5 z% }. O5 }7 E, k+ n0 s) F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
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~
. s3 l" L9 o0 o$ \, b
最近比較忙,所以現在才上來看你的回覆~

8 C, ]; h4 s* P0 A+ x0 k8 z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)
( ]! f) a+ x$ p/ D0 p: A( v
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 P  x9 L) t$ |" k$ q
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
   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?

2 u/ G$ x+ B$ I6 x0 \; w1 x3. 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
# P. m) E; h3 A; t" W( S) `   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?
- m) w; R3 c/ ?
5 }& X8 X/ U) i8 Q% G/ S0 ^( M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
/ D2 h" N- Y; y& E    不過,通常都會起振,因為不同廠家的crystal model不會差太遠
2. 不太了解你這個問題要問什麼
& N, U7 A+ N5 p$ L/ r/ H    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

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~
: x- l+ p3 p% I1 t" Q
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~
# R& G6 `7 @/ s5 G9 R
* p( K& R% P3 h2 O6 q2 `; K我的震盪波形在接上schmitt後變小了,是什原因呢?
- z& y1 ?: @/ V2 H  C- F
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)

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...

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...
# ^0 W2 S; X+ w8 D" q* R
8 g& x" h+ u0 C" e2 D0 ]% s5 g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)
% ]# T& ~* s2 k8 T& \7 M& v
# c9 }1 m- A, p9 K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?

% \9 A* G% ~6 u& y* Y4 m5 R因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題
" J# D. l( V$ x0 Y7 ~
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

* K1 E# c5 H- ?/ L3 B[ 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~

我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...

6 n4 a/ o1 r1 @% H1 ?* h, @但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...

- ?' A' I1 b7 p. Y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??)
+ t% n! @- U: c, I' \3 j7 D
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 G2 x& u4 I3 B: g  i5 w(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~)
6 g4 L+ F* W: G" a* `
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...

$ ~6 i% ~; B7 G" a$ D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...
/ l7 N5 m7 `9 G' s: K7 E
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)
: M& A; V. l' b0 n8 C
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~
+ E, o/ d' z8 A0 v
+ a) l( c, D( H再次~再次~在麻煩FINSTER版主了~非常感激~謝謝~
/ @& k! }* M9 r6 X# u7 K
5 v) q: d4 z3 ~& b4 M+ Fp.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
關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
  s* b: K1 s" B( Y5 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
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
# t/ k; F% p7 g8 J. R" `9 C而要改進這個問題,只能把振盪器的driving能力加大
: D4 h0 n4 k: ^( t9 A6 C
$ M+ x! [, T% E2 l, B8 n至於你問到為何只有在25MHz以上才有問題
) I9 m% m5 a/ B2 p- p! u- F7 q1 |! k. E這點,其實也跟你的振盪器的driving能力有關
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

/ V! M8 ]2 a# V  e4 o, z' ^至於schmitter trigger的優缺點
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
' C( V) v4 X" [# n. H谢谢分享。。。。。。。。
。。。。。。。。。。。。

camilla

超級謝謝finster版主的解答~

; ?$ O6 S; T: ]1 u4 }  \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~
9 p& W& ^. b& h
8 m6 B1 t: ^# r7 u6 P% o% u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~
4 Y" h- B1 F, m( o6 m
6 p+ I$ ^. K& k( w8 B2 ?/ t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)
* I/ ?3 b/ v& x7 U) U! G+ K
' }" B% c4 i6 I! @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)

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)
7 ?  k4 G; g& t- d# S) ^7 D
麻煩finster版主在指教,非常謝謝~