CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
8 Q9 M/ y4 ~# s$ f5 X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!
, e! z$ J+ d2 g4 W% E$ |4 G现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
, P$ Y5 w. j- K+ H
电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
: S2 d3 e- @: i* c
% }7 Z8 S& B8 i+ n% i9 j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)
------------------------
* F" w6 G5 e: ^# @7 O* source 100K
.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
8 v+ M3 k! c- J8 XM_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
' ]) S  D2 Q* B7 i0 p" kM_M2         VOUT IN vdd vdd p
* p6 ^5 G$ j6 d4 W' L, v+ L=16u  
) V: q0 m1 l3 y) e% U. k! e8 ?+ W=0.8u         
+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
  t( k; Z9 q1 vV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
& U6 ?6 P+ L8 h! F5 SC_C1         IN 0  5p  
5 Y7 s& \) {6 ]6 p. q: i& G) F& zC_C2         0 VOUT  5p  
2 m* V" V4 s9 k; Z% Y) jL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
R_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
3 G$ p2 v! \) S, y( o1 G- P( n$ L$ M.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
# _. ]8 J' @% u1 O.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
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

: e9 D9 Q' m  n3 e2 O& O看了討論區的文章
同意裡面的講法
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
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
6 V. L+ h, w! ^. MHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

2 S) O9 W, A' M+ O! d" ~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)
! s+ ~2 V$ v  @; z) p- D0 F, @' g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...
, u) V+ ~; P* t3 J5 I! k# K
: A% A# F! a4 s" i7 M6 \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
0 M: j5 t) L& q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
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,
2 b8 b2 k9 J% T! G, r) t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)
, U  l& V' O4 ?1 r8 V& S# `0 b$ V) _還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
. x+ m) U5 M. a$ m
5 ^) }  j5 z8 _9 X5 U% C6 `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...)

7 X) O; N+ I- \[ 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.
6 Q  H) @# C  c6 b6 J; [7 L0 s小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
- d+ h# M' i9 ^1 s9 k0 Z3 j1 o4 v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.
想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
- J" U* y  o3 |, W謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
. R4 r! w, C. L: q. zIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
IC=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
昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
0 s1 l5 ]+ c8 H3 g% j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
! C  h" f8 ?8 `, r/ ^; n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
# H- W: b: Z; r4 }) F* h' o/ x結 ...

小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
/ s- \$ J4 |" \monkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
9 t+ [# U7 L' J! q( E3 s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
" V0 J9 P9 s2 ^; S: O/ Z5 Q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?
2 f; f  l* f  u( }5 }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?
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
不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
: s3 X. k. P5 J9 Y$ y4 M, G& D
( [5 m; B6 ~' K' u; I嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
* ]4 H% m' M0 Q除了 網路分析儀 外
還有一個 小方法 能 簡易評估
* [4 K4 c2 c/ {5 X1 ^" T! B( 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
对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
5 f! I' u2 M4 N* l- e0 g; G9 m" W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
' _* {- y% o2 G9 v1 B4 t所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確
6 L9 r# F0 S  Q% [9 |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)
% N( U: [4 G4 @! s7 A8 Z% j/ _. \我當下是覺得探針類似有電容的效果
/ m1 l! @& K+ [- H8 v1 h6 s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
$ @+ M7 x, ^0 g: C9 a. V: ?- O5 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
2 t# @, U9 L! @+ N- R: y, _4 j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
感謝finster分享
, I' ~9 ~# p# n, \$ S; A" u小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
- e: Y7 q8 Z- Q. ]我是design一個32.768k crystal osc
; z$ e: e) q  @" T( Z  ~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 ...

8 ]1 _, K$ f7 w( }$ e+ ]. H7 u
$ N; ]) I. A3 f2 X" ~1 P
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
6 \/ d& `$ H4 z9 O% Q- x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

* E' x) ?/ }6 i% R& W' t- w
1 x9 M/ J8 Y( Q
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
: _$ j. d, x- p0 j所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
0 t8 L8 I# x' ~! q9 o/ ~) \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 ...

% r2 r; Y6 Q! T. G# w& k. E! u
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
: r; g* Q1 s# s到底是什麼阿
有沒有參考資料可以閱讀的
或是哪本教科書有提到的
+ [5 y4 b$ f% x2 Z+ H  V  h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
我查了些參考書還有文件後
, _+ |5 ~' U: H; H# K7 ]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
5 Z/ ^2 t  l# X* u參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
+ B! M! u" ^* \9 U算是可以正常起振
8 [+ i" s) w7 L3 a( L) H: u( ~# ^
, e# G3 M* \( b/ O. t( f4 A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
. s3 p2 i" _) U! T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
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
4 M: j' u6 X# b6 g以上

ilovehorn

給monkeybad
: H6 Y5 M# V4 B2 B* J4 ~8 d6 j: K, ~
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
0 l5 N& v- l$ j0 Q7 u兩者會有差別
/ ^/ o7 n0 Y, ?( Z& D* B, N! I* C
- w; v3 Q4 h& N* R4 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
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)
6 Y, u- c; u% J6 T. g, M應該就可以起振了

另外有個問題
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
& N. O% U8 Y1 {; D2 E. `
4 H9 e$ g/ R) @5 }, s, C一點淺見
有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
, b6 B& Z2 w' A& }! R+ n7 c+ u我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
' c. E6 T1 N0 @$ _1 I% s: K( ^! h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
所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
" m# _" ^8 [3 l2 F7 v這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
% b' L) p) k- ?4 @/ l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
在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
( c- v" S- y6 {7 q; N1 P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
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
- U4 a8 u8 E* w8 m
Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
8 s+ }# Y6 q. D' o5 X: Qcrystal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