crystal oscillator不起振~

camilla

各位前輩~
9 m  I4 F; _6 n! F9 G- w& Z1 F
我現在正在研究crystal osc.我有在論壇裡看到這方面的討論...
  d2 h. ^3 f+ A* F! \6 \. A) V. Ihttp://www.chip123.com.tw/phpBB/ ... 8412&sid=g0bJll
. B, }/ b8 j1 {' c' O' N, P9 E
其中finster版主建議說加入這個模擬條件  VDD VDD 0 PWL(0 0, 500US 3.3V)
3 E. t4 J, O7 `  l/ M1 m
8 X. I  ^3 v& _* O5 v/ t但很奇怪的是,我加入這個條件後竟然不能振了,但若是VDD VDD 0 3.3V卻可以振,
: O" D8 ?( {4 b
6 V* b% h  [- {9 y6 V3 o8 \是什原因呢?

6 n' y* v( d) K" X另外finster版主題到的low current crystal oscillator...請問有bias voltage control相關的資料可以參考嗎?
1 C4 D% A1 R- n( H7 k- S/ a(因我加完i/o pad後的電流竟然幾mA阿~)

% P# \) D0 U3 Z' f& z) d$ K請各位前輩知道的話能給一些意見嗎?謝謝
0 G! i" Z4 q* N" k$ V
* ?; R8 [" i5 G3 Z對了...我crystal osc frequency = 13MHz , vdd=3.3v

hongx

此篇看下來真的學習到很多知識!

往後遇到一樣問題可以從中學習!

camilla

謝謝finster版主~
1 q: u, x: r1 n3 O
超級謝謝finster版主這一連串不耐其煩的指導,讓我對crystal有更深入的了解了~超級感謝~

finster

關於spectre與hspice兩者之間的差異
這個問題我以前也遇過,只不過,這是一個沒有正確答案的問題
4 |! m" C* i6 u據我所知最早類比電路模擬軟體是hspice(我不確定以前是否還有其他版本),而這套hspice模擬軟體對類比電路模擬來說可以稱的上是聖經,其他研發出來可以作為類比電路模擬軟體都是拿hspice來比較,其他模擬軟體愈接近hspice所模擬出來的結果愈所能夠得類比工程師的可信度,只不過,hspice也有bug,也有它不足之處,而這些bug在某些想取代hspice軟體而言也許會有比較優勢之處
* x4 j% Z. U# n
+ J5 F2 J3 j8 S4 b' @: Z+ q% ~" U故而,回到你的問題,hspice和spectre兩者跑出來的結果要相信誰,基本上是要相信hspice跑出來的結果,只是,不知道你會不會誤觸hspice的bug,而這個bug恰巧是spectre所能夠避掉的問題
以前我這兩套軟體都有跑過,95%以上都是相同的模擬結果,只有極少部份才會有不同的地方,而且只有在某些很特別的情況與應用電路才會有不同的結果出現,所以,建議你先相信hspice的結果,然後再推導看看是否合理,若不合理,則再回過頭來看看spectre的結果

至於startup time的問題
加快它的速度是我個人從PLL的應用電路中的經驗,然後應用在crystal oscillator,因為crystal oscillator要從0V一直起振盪到欲定的電壓準位需要一段很長的時間,如果可以應用initial circuit便可大幅縮短此一時間,因為我在PLL上曾下過不少苦心,也作過不少,所以很容易就把PLL的initial circuit應用到crystal oscillator,所以我才會說加入initial circuit可以改進startup time的問題

camilla

謝謝finster版主~
4 F% c% v, D  c' O. ^( s
/ X% y* e7 N8 e( m, S5 x. i我對startup time了解了~

) \6 |: J& ?: M$ l  X4 g我昨天試過用spectre跑了一次crystal osc...
. b4 l  N7 H5 p. S
6 o7 _( q2 `+ t, n  D( V不過竟然和hspice跑的結果不一樣,同一個netlist 13MHz跑出來的消耗電流和起振時間是不相同的,

4 r6 K7 f5 x3 I; f* S消耗電流小很多,而電源電壓給0到vdd,但輸出竟從0v就開始振了,所以startup time也跟著減少很多...

% z3 u7 b7 e$ i; T6 i5 F! F一模一樣的netlist為什會跑出不一樣的結果呢?
" `  q2 [/ \8 E6 p9 C7 m( l
1 L, R+ E- S- F$ K另一個問題是,你所講的加快startup time可以加一個initial circuit,有範例可以參考嗎?因為我的startup time實在太慢了...

8 y+ |$ Z; h# n( w(一直被學長嫌)
+ l/ E+ b8 ]; v9 b4 I
+ G3 [9 f+ |9 n2 Z( f0 {
) g6 ^+ T3 D$ I+ c4 N9 `p.s 很感謝finster版主不耐其煩的一直指導我,不過因為我實在有太多問題了,希望finster版主和前輩們能繼續給我指導~謝謝~

finster

以目前我所知道的startup time的定義來說
. i- Q1 m: s6 c0 p3 T它是指crystal oscillator從一開始沒有任何振盪到完成振盪且穩定的持續振盪時間稱之為startup time
6 G+ W/ Z, \$ {8 v. [
' A) `6 n7 w- y/ Q因為我們在模擬crystal oscillator時都是以vdd從0V昇到一個穩定值作為crystal oscillator作為一個初始值,所以有些人就會把從vdd的0V到crystal oscillator起振且穩定持續振盪時間稱之為startup time,而這種說法其實並不是非常正確的定義
) \8 t  e" h4 Z0 k9 Q
9 C+ X- i# ~5 c" `5 w不過,目前在startup time並沒有一個很統一的定義,而我所知道的那個定義也是從IEEE Journal paper上定義所知道的,而那份文章是很早期的paper,內容寫了一堆理論和公式

最後,crystal oscillator要作到4MHz ~ 25MHz並不是不可能,只是較為複雜,以前我也作過,後來我也只是覺得沒有必要弄到那麼複雜且麻煩

camilla

不好意思~finster版主~
4 A' _8 u3 \$ P: F* O
能再請問一個問題嗎?

startup time的定義是指什麼呢?
1 u; j# y1 Q/ P0 i9 o8 |
有些paper是指vdd從0v開始上升到穩定後,輸出也開始起振的這段時間(但不是輸出振幅到達穩定了),就稱作startup time

有些是指輸出振幅到達穩定(某一個值)的這段時間,就稱作startup time
9 o, k+ y; A( U4 z* C" ^
又有些是指輸出duty cycle穩定後(都相同後)的這段時間,就稱作startup time
4 A# D) H  i# h9 u
7 g7 b! _: S4 K6 L: Q- o那到底startup time是指哪段時間呢?

請finster版主,或知道的前輩能指教一下~非常謝謝~

camilla

謝謝FINSTER版主~
. S; e) X. ^6 ?6 |5 M. F1 K
! E# O) O7 |  ?7 ~我知道了,謝謝你的耐心指導~讓小妹收穫良多~
3 A  d, Y) G: F. S0 t( @3 a
# L' ?* B0 t' Y" {% H" i我之所以想要做個可以涵蓋4MHz~25MHz電路,是因為我教授當初是要我做個crystal osc,freq是由4MHz~25MHz,
5 H1 @8 h% U, x6 m7 b
且有人作過,但我試了很久還是沒辦法,為了讓更高頻可以振,而加大driver,但卻使得頻率較低的startup time變大甚至不振,

試了很久,我會再問我教授他真正的用意,是不是我想錯他的想法了~
$ P8 k+ ~% f* y/ O5 J6 m$ ^
$ q: R1 ]4 N* d2 d  ^4 Z7 Q至少目前我對crystal是瞭解了~

超感謝finster版主的指導~謝謝~

finster

原帖由 camilla 於 2008-12-22 09:21 AM 發表
謝謝finster版主~
2 A4 }! E% `2 X' L
. j* v& z6 j. `6 M) e* s應該是我電腦問題~可以看到你的回覆了~謝謝~
6 `; x! O2 c6 X# `
5 A- V' @, i1 X* e* _8 B/ {我了解我問題的原因了,不過我對startup time總是不了解,
" [+ x  s/ y7 h6 m
我是想有無辦法不另外加initial circuit來加快startup time嗎?

3 ]9 J$ s2 T# K, T5 _6 U8 J我是想說可以改變現 ...

* H- m* j$ P" x# E- r' a: X7 A3 @
3 I1 {6 U" v6 l5 T, I1 D9 K

先回答startup time的問題
在不增加initial circuit的前提下想加快startup time並不是不可能,只不過要先理解crystal oscillator的理論,而這方面討論的paper只有早期的IEEE才有,比較偏理論,你可以研究一下
至於你想改變外部r,c來加快startup time,這種方法的效果有限
因為只要改變了外部的R,C值就會間接影響crystal oscillator本身的穩定度等issue,有時也可能會造成不起振的情況,所以若要改變外部R,C值,個人是不太建議你朝這方面去作

. Q  y, R' O5 P每一個範圍的crystal oscillator都有一定的design需求,目前很少有一個電路能夠涵蓋4~25MHz的range的crystal oscillator
9 U* J& x- C4 D/ j7 d# i+ h/ G4 Q目前大部份都是針對某些特定的crystal oscillator的頻率作設計
5 P: m( N- V/ I  w8 {) C而且愈高頻,其crystal oscillator的考量也愈多

andy2000a

有 disable 能力  的 gain
要高點

# a/ ^0 O$ R1 I$ g: J! _. `! Rhspice  sim 會動

8 ]+ S- F) ~8 T0 m' Yreal chip  可能不一定會動  

  g5 j; f) Z8 d% i5 J+ d3 \6 f而且 不是 所有的 fail  是部份
4 I( r; }! x: [' F那就是 gain 太低

camilla

謝謝finster版主~

應該是我電腦問題~可以看到你的回覆了~謝謝~
; g, D3 H  U$ l+ V8 F
我了解我問題的原因了,不過我對startup time總是不了解,

2 u4 I2 i1 j' o/ Y( u我是想有無辦法不另外加initial circuit來加快startup time嗎?
1 D) W0 v( y/ u1 c, D, u
  U* h% J, {2 Z& v; E我是想說可以改變現有的元件參數來加快startup time嗎?

例如改變crystal model的負載電容等校的那兩顆電容(C1,C2)或R1

8 h2 B$ J5 a+ U  V$ a因為我一開始是針對13MHz來作這個crystal osc,
! g- \1 [$ k) |1 w" T$ @
8 a" M% a7 Z6 l+ O所已在改變crystal model後(改成20MHz,25MHz),原本想要的結果就會改變,

是不是這個架構在13MHz時是最好的,但在改變crystal model後所有特性又會改變?

1 {8 Q. s4 y  p有辦法說可以設計出適用於4~25MHz的電路,但startup time, 耗電又都能符合我的要求嗎?

(我目前13MHz這個crystal 架構若套上20MHz以上的model後,startup time,耗電都會明顯增加改變)
( j" d# w- R# D# d* m7 W$ v
不好意思~問了一大堆問題~再次麻煩finster版主了~謝謝~

camilla

finster版主~
4 }6 J5 y& e$ L) [. T3 S
& ^. h/ b) A" L; h我看不到你的回覆呢?好奇怪~可以麻煩你在發一次給我好嗎?非常感激~

finster

關於crystal oscillator耗電的問題,這個其實並沒有一定的標準
因為crystal oscillator本身其實是蠻耗電的,除非你是設計32.768KHz的crystal oscillator這種才會設計成很省電,不然若是5MHz以上的crystal oscillator電路,它本身的耗電程度都在mA等級以上,這個原因是因為頻率愈快,它所需要的rise time/fall time要愈快,所以放大器或者反相器的耗電就要愈大

- B$ \! Z) T+ j* d# }7 S+ d/ q若想加快start-up time
最簡單的方法則是加initial circuit,讓crystal oscillator在一開始便設定它可以振盪的電壓準位,提早讓crystal oscillator反應出相對的phase差的振盪

至於第3個waveform情況,你可以把輸入信號秀出來,你就可以知道為什麼了,這是因為crystal oscillator尚未達到穩定的振盪波形,所以輸入的waveform振幅會有點忽高忽低的,以致於schmitter trigger的輸入會接收到變化的電壓,故而輸出也會不穩定,這是合理且正常的情況

camilla

超級謝謝finster版主的解答~
, ^1 h6 w8 f, G. E9 n# v% f
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~

4 m, Z% I5 o1 B3 e5 h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 u) {4 x2 _/ N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)

' c) c+ C% i# h. N7 _麻煩finster版主在指教,非常謝謝~

caesarxl

留名关注，日后学习
谢谢分享。。。。。。。。
。。。。。。。。。。。。

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
9 y2 G( D( f3 _6 F( ^關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
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

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
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
0 s$ e, q! r; b1 f
; b! w! H3 [! b至於schmitter trigger的優缺點
5 q* \# W$ x4 F+ _' Q! A4 w6 F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

camilla

~又被沉到下面了~請各位前輩幫我看看吧~謝謝~

camilla

真是太感謝finster版主無私的教導了~
6 V7 T& |4 y& z" P7 Y8 F# X
9 J9 ^' H4 X3 W1 R我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...
9 i- w6 V( `. N. Y" k  e
6 ?" n+ H& L$ ?1 n但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...

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?
- W) r* K7 D6 x0 N" E& y
& b! i: Z) E& b(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...

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~
, Y" Y2 z  [5 Q' v' J
! F' c# a& y0 z# H( Y: s再次~再次~在麻煩FINSTER版主了~非常感激~謝謝~

p.s 圖為我使用的schmitt~

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?
2 ?% R: X4 {5 k
因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題
  r' G' B. i+ W/ e$ q
+ [9 |! z2 E. w, Z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

[ 本帖最後由 finster 於 2008-12-1 11:33 PM 編輯 ]

camilla

不好意思~finster版主~
- s& K6 z2 \3 b2 ~4 [& K( I. v. a0 i' j
% D5 Q0 [) M4 \; _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?

" Z1 S5 T+ ~4 T. g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)

7 S6 I! a5 e3 L7 P8 F3 l- B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...
7 B6 `. d/ f/ X
9 W. G: j8 l4 _3 L$ P7 I) y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...
  o1 Q1 s6 s. f4 m! x+ T
' p8 S" V" b' k3 F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)

6 e0 j9 M, f) O& E" v6 v4 B0 V可以麻煩finster版主在給我一些建議嗎?非常感激~