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
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?
7 y& Z5 a1 b- C6 `0 E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- n4 x# u! G
  ?" g) k3 [$ W0 X9 i9 y$ i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
/ K9 B$ b( a/ U1 |8 `- u$ W
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~

+ X5 r8 ]3 q( Z8 c4 o# H我想確定我和版主所講的輸出是同一點嗎?

$ g& u$ ^) [$ U* c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?

" L+ b( F& e% `  W& h# d: z是介於0~vdd嗎?還是vdd呢?
. n% r" A+ s5 c0 V1 @. K( F
. t5 j/ ]8 n* T7 a/ H: z9 ?因為我是想說在floating時不是輸出在任何一點準位都可以嗎?
' G% r# V* }. G9 P
+ T* ]. L& F# l+ F" j- g0 u1 Z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?

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 r2 N$ j7 q+ c5 m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
& u5 m' M' `" {6 ]" y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

我layout都沒問題了等著月底下線~
% H$ P. Z2 B& W& q0 X7 Y9 H
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)
, m, Q5 H  R2 _1 B* p
! e- S8 I9 z7 S) h) k7 n' T8 v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?!

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?
2 q. j: ^6 ^: ]3 O5 Y
3 Y; n+ f+ O& d1 ?  n8 Jp.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
! b$ w" G1 P4 Q: Y故而在不同頻段的crystal會有不同的C1,C2和Rf建議參考值
2 G) y# U9 ?8 s  J3 m/ v5 o4 @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

" K( S7 ]1 W. ?6 c8 Q8 {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
5 d( W' F+ i# `
& T. y! z: d, F, Y1 D# I' X, e; ~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
) M4 A, ]' c+ X  I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
8 S( s: w6 P& b+ x2 i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
; y- m* P1 U8 h5 y' E/ ~. G
9 j3 `# L- z! e5 m6 [1 C[ 本帖最後由 finster 於 2008-10-18 02:51 PM 編輯 ]

camilla

各位前輩~

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 F, c: a7 V" v/ Z+ Q+ }
不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~

我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸出也有overshoot~
  G* i( j1 q* a2 f; t/ \5 `
如圖~這應該是overshoot吧!?
" L/ K$ N& I; J
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
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~

0 }$ X( P9 y1 a# 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~
* }& ^8 q' r/ x3 d8 v2 f+ ~2 p
不過最近在書裡有提到overshoot可能會造成emi的影響~
5 F4 W9 j9 y7 [1 o! Z7 X# n& d
我再把我之前做的crystal打開來看,發現我的輸 ...

- ~. K4 P# ~, G) q' Y, q3 d1 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
! c: R$ }* a% J3 p- M- E, y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~

你說可以在輸出端加小電容(負載or Buffer),是為什呢?
& l5 p3 B0 X: \" \
1 ?7 A0 i) K2 O9 E  ^  x7 Z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?
' Q4 N0 D0 \  x6 e
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
0 |; h# @2 f( {- }# D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
; y3 R) h4 p7 M* ?0 ^* m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
' K6 g; I/ j2 a
至於你問到的第二個問題
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
( }1 l2 i5 a" Z( \6 _' [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~

/ [0 {$ f1 U7 ?# \# _1 e0 D6 d0 ^最近比較忙,所以現在才上來看你的回覆~

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)
1 u1 H) l# g  J- r) ~9 B  L
, ~$ g. X6 A- u0 w7 x& e* }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?

* w; v( u* A1 `8 B' _5 m  a2. 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?
8 ^+ J6 _) d5 A5 M  ?. q# t
0 x! F/ ]/ ?' M5 c2 K' ]& ^# ?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
   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?
5 a8 {! F' J/ r! t. w6 M2 k3 V
& l0 ]; V1 G" p  i  H( Y1 z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
- C% V4 n. L3 `: R
" w7 ?% N2 }4 f8 e3.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~

# U) j) ^0 A( V& C; F$ o2 B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~

, i( d% m( _- Q4 v+ ], t: J3 D我的震盪波形在接上schmitt後變小了,是什原因呢?
+ c* j8 ]/ @3 @# `+ v  X
2 ~2 l) J' w2 ^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)

4 n* m& J9 R" W- Y/ |& I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...
; \  r4 D! q1 J+ O
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...
, m) g' y5 D+ q7 M7 G; d
8 g& m5 Y2 }) ^+ [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)
. |1 @* B; }: f% |% d& A
/ g# ]+ [- Q% ?, V: ~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?
2 z1 @: Y, o  k
因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題

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
, _& N0 C2 C. X3 f# m* T
3 e1 H1 ]* X' z, O% s+ i, |[ 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~
) @4 Z& p. Z8 t8 ]# S
, T8 G/ E2 Y/ F% L4 C$ s8 o我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...

% T. c6 I0 n, b但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...

7 X* b% E/ Y, q1 E! I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??)
* z4 ~3 A! `- L% K
  h9 i! b. }! j: z4 N- {. n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?

- S$ b! Y% u9 X( @5 C, \- D. m(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...

' ?" V" ^- |6 ~4 h9 z* _! y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...

7 w+ Y, w# @' T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)
! n' {0 i1 x. L& }. Q) B* `- V
( ~" b; K. D( ~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~

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~

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
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
1 x  _, ], c0 s3 i
至於你問到為何只有在25MHz以上才有問題
# _+ ]) Q4 s' P/ n* y" }; H這點,其實也跟你的振盪器的driving能力有關
8 Q8 ~% B9 l5 X9 ?0 P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
( @, Y" Z; z4 w" q1 y9 o2 \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

" @/ N+ {6 @% `) N5 K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
8 ^3 R# j& |2 z' C3 Z% L谢谢分享。。。。。。。。
5 g- P* r  ~2 G8 p. V- r。。。。。。。。。。。。

camilla

超級謝謝finster版主的解答~

5 L# Y/ A" V- i% G8 D( T1 @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~
7 P& h$ U7 U+ I! I" P/ N. k
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~
: N7 u: B( l1 ^( _1 ?
, Q" }2 I! P* b- d: y! ]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)
* U4 _% `4 j' x$ ~/ ]
, s' U( B- H& @* Q/ v' x6 H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)
6 w) t5 T$ c6 r1 g* l
& ?7 J7 c$ R$ X$ u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 D3 U. m2 h2 z  V) h% i
1 F; d5 H) {% w! ^- f& g5 k麻煩finster版主在指教,非常謝謝~