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
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
! w, s" c1 T, m0 k! Q而你的情況卻在vdd ~ gnd的任一電位

  e! [3 y; S- ~3 [' x# V+ X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?
$ e6 Y3 ?/ u9 U: e  }0 t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?

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
% v  Z) N% D' t
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~

, h/ U1 C' s  _0 W2 r6 ~7 x我想確定我和版主所講的輸出是同一點嗎?
/ L, I8 r6 p: o  ?
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?

是介於0~vdd嗎?還是vdd呢?

# P/ g) G/ t3 B; D3 S* l/ {因為我是想說在floating時不是輸出在任何一點準位都可以嗎?

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?
0 W* x( y9 f4 [# y$ `, W
0 u( j9 }! h; c* x( U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
% ~0 m, ?  W3 t0 E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~
1 Q& T  Q$ T' E' y6 k2 A
% @* \( `6 ?# p0 _( v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

3 i7 K; u  u, [: S  K' V5 a我layout都沒問題了等著月底下線~
, ^" P7 g3 S: d7 E- Y+ k7 o
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)

) Y9 w6 e, R: k6 ]8 R& h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)
4 D4 l" `0 E/ W% Q. ]1 a4 d; X
$ l7 m6 Q- l$ x$ r6 \) m' P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?!

2 [% b  H' z& r$ p/ p4 [) Y2 _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?
  H# p$ }& @0 z' ~) c/ c
& _# `1 [/ ?4 f8 V7 Kp.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~
2 G- L3 J  c+ [& s& v2 Z
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
$ q: Q, |; ?: P9 Z
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
3 m( p6 w7 b: R7 I
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
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

6 T3 z1 X" B* u: ^$ p# e[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-18 02:51 PM 編輯 ]

camilla

各位前輩~
3 u; v6 O0 y7 x3 ]
8 E+ [( [/ \, x2 n! f9 C; j& [+ }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~
3 f" \: k4 k! o5 d2 w( i
8 _. n" s- p9 C# o7 b不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~

0 _+ ?2 a+ Y- z3 @6 J4 X1 y, a; \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!?

4 G" F; @. R) H9 S3 `5 {那這個有影響嗎?有什辦法可以改善?

% m' {, t( f5 |7 n5 r# k% K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
6 P! L" H$ M: M- i2 C  Z5 k, h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
4 m7 Y2 ^  q  W0 U" ?- l9 b各位前輩~

! }, v' l1 ~7 W: u$ G' b! z) r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~
$ ?, s# ~) j1 o7 ]
不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
# a8 ]4 M% w1 v2 N
我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸 ...

你這種情況還好,並不嚴重
, C& ~) e1 X: `+ ]+ c  D5 n, {要想克服這種現象,若在OP,最簡單的作法是改補償電容
( |" V( m, _( M: }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~
$ s1 f# n( v1 B' Z2 v6 G
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?

% |: [) Z! [- Z; B3 v0 A& D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
5 W) x: W; g: C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
故而,把driving能力減弱,可以減緩over-shoot的問題
) c2 b* x8 s6 k% X% F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
0 j0 k, ?# X% e
3 d% q  [" H0 f7 w4 d' y至於你問到的第二個問題
5 C% |, w* P* {2 O$ r; F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
# N7 ~; O) c8 Q# h. T2 }' n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
- J6 ]: }+ P- ^- z. g* C& y: M) y, N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~

最近比較忙,所以現在才上來看你的回覆~
3 w) {9 ^+ n7 p& Q$ j3 }3 @
1 R1 J+ y. \( P' 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)

/ Q7 ]& P# d) c+ j8 I% `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?

$ C1 o5 h6 C4 d  c6 W' x2. 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?
7 P- u: e2 X4 ?- F
3. 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
3 X% X0 B. b/ w6 A7 `% w3 ]- |   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?

9 {' M% {% h( ]/ A% K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
    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
    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
! n$ W- `! [1 g+ s# K& {: J& H8 z
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~

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~

我的震盪波形在接上schmitt後變小了,是什原因呢?

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)
9 [5 p) s) h) Q, P9 {. [
5 {! s, e- l) [; X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...
6 u' P/ q  x; F6 ]2 E
  Z0 A5 o) o. a8 j; V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...

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)

  W3 v( v! i' C; \/ s- n# Q- Z& j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?
9 x$ c( f* w' ?, p3 ~4 ~另外,你schmitter trigger的vih and vil又各為多少呢?

因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題
- R4 N9 e( E; F7 N5 V6 F
' ~; W, @9 P! u0 A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
( O( w) l5 f9 x$ ^1 U7 w8 h3 K9 Q
[ 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~
1 X% D7 h9 l; J3 k# u
6 ~  z- b# V1 h$ e  m- B我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...

2 \& W7 V7 ~/ n2 }- i  F但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...
* o$ E+ p2 |3 t- 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??)

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?
6 B: z) g. I; i5 ?& ^$ Y: y6 r
(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~)

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...

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...

& Z. z  c2 i5 w: F& z- ]: I4 i8 o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)

  f) \, M6 }* E* v$ O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~
/ m: y5 F% D* n7 ~5 v7 m, |1 S* Y  p
再次~再次~在麻煩FINSTER版主了~非常感激~謝謝~
1 \. S" p1 U6 p! L5 Y' j& z
p.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
  d3 }* {: z* Y關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
5 m  C1 T6 N+ V/ |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
而要改進這個問題,只能把振盪器的driving能力加大
, P0 b. v- K) U6 e7 n* o& d
# k5 `1 Q  ?  ?) }- \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
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
" U/ g2 U! t  F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

7 Z7 @4 h/ E- ?3 ]4 w, q/ a4 T: D至於schmitter trigger的優缺點
4 a" }  E/ @, I9 F  w+ V+ 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~
9 Y% \* [' \- M; n
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~
  g0 M/ h% L) }0 Y7 Y$ i0 O5 e" q
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~

0 b5 c7 }: F0 [1 N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)
, a2 x% F5 W; O! B2 ^" }. T% c
! x  h; W6 S# Z0 f+ \3 g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 `0 g- V- f- n' x& o& s7 n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)

4 [7 b" {+ c9 \- K0 ]麻煩finster版主在指教,非常謝謝~