CMOS晶體震盪器模擬

monkeybad

之前有討論過有關CMOS Pierce crystal osc
. h7 ]* @7 n. @  F現在我的模擬好像有點問題 想請教一下
0 ~4 W' j- _: k* H" ?; x  t" u圖一為我簡化後的Model 基本上 就是一顆CMOS Inverter 然後並連上一個偏壓電阻
7 L! i; b% J4 `( V- w然後a b兩點再分別接到Crystal的兩端
& e0 A3 M0 i* H9 J+ SCrystal用的model是一個L, C, RS串聯在並連一個CO 震盪頻率為32.768K
* X% b+ ^9 S$ ]這是要for時鐘用的
. W/ a7 M* a6 @# e( P6 Q  l7 N: k以下是我模擬的值 這個是從網路上面抓的一組值
L=7000, C=0.003p, RS=200K, CO=1.7p
RBIAS=1E7,
( R7 ^1 h6 x- a& C8 V1 x2 l5 ?C1=1.2p, C2=1.2p
CMOS INVERTER: MN W=0.22U L=10U
                         MP W=0.22U L=10U
VDD=3.3V
根據理論 圖二看進去的負電組值 也就是電壓值實部的絕對值 要大於Crystal Osc裡面的寄生電阻RS
就是負電阻加正電阻要為負 才會震盪
7 [; W2 t$ x2 h: B$ ]
圖二是我模擬負電組的電路
aa和bb電壓偏在Inverter飽和區裡面 V(aa)=V(bb)=1.3V
我在aa bb這兩點加一個電流源 hspice的指令為
Iin aa bb ac=1
( _" [7 `# ^8 p2 v9 Z2 L5 F& ?9 [然後我跑.ac模擬
.ac DEC 1e5 1k 40k
再下
9 N! s) a( o1 q8 x; e# w.probe VR(aa,bb)
顯示aa,bb電壓的實部
看ac的圖 在Avanwaves裡面叫做Volts Real的圖 看VR(aa,bb)
然後發現在32.768K左右的時候 大約是-520K左右
請問一下這樣模擬負電阻的方法對嗎?

假如是正確的 那負加正小於零應該會起震才對

* r% b5 ]' n  @  k2 O在跑.TRAN模擬
9 k! P2 h' a+ r1 b9 s% N我的初始值設定為
.ic V(A)=0 V(B)=1 V(C)=0 V(D)=0
" O' u0 u6 C; A1 @# H可是後來發現一開始有震盪 但是越到後來振幅就越小 到最後整個衰減掉了 電壓收斂在1.3V
, w7 p' z. y" y9 Z  A請問是哪裡模擬出了問題呢?

finster

來補回答我的經驗
我之前是做0.18um的RTC的32.768KHz的Crystal Oscillator,條件規格是整體的Crystal Oscillator + Buffer + I/O PAD的current < 3uA,工作電壓要從1.2V ~ 1.95V

0 p6 _$ [* M5 @2 b% q& b+ o1. 首先,要做low current Crystal Oscillator時,要把I/O PAD給考慮進去,我之前在設計時,Crystal Oscillator設計一段時後,模擬及電流均在規格內可以動了,但在加入I/O PAD後,Crystal Oscillator卻不會起振了,後來追了快一個星期才發覺到因為整體current非常小,但因為I/O PAD本身的leaking current過大,導致Crystal Oscillator無法起振,所以,low current Crystal Oscillator無法使用Standard I/O PAD(leaking current會過大),必需使用額外的I/O PAD才行,這點非常重要,因為它會直接影響到起振與否的問題

; @6 P/ ~7 v0 v' A2. 要作到low current Crystal Oscillator,本身的inverter不能使用單一個PMOS和一個NMOS,必需採用Bias voltage control的方式才行(架構有點類似1999年IEEE Conference paper那種,但需要再變化一下),同時,為了low current,本身的buffer以及送出clock的buffer需採用long channel的方式,而之所以要採用Bias voltage control的inverter架構,乃因要作到low current Crystal Oscillator,本身在XTAL IN和XTAL OUT兩端點的信號並無法達到rail-to-rail的幅度,故而若採用standard inverter方式,並不能在大的工作電壓中起振,再者,因為要low current,所以在XTAL IN端點的信號幅度會很小,所以,利用Bias voltage control方式來限制住inverter兩端點的voltage level,這個並不好作,必需不斷地試

3. low current Crystal Oscillator的外接兩端電容要非常小,我當時的外接電容方式是用可調的架構(類似1991年IEEE Conference paper那種,不過這兩個電容我是做在內部),我當時試過,外部電容不能超過10pf,否則會因為外部電容過大而無法起振,那時我只用3-4pf的電容(有考慮到封裝廠的寄生電容,I/O PAD的寄生電容,板子上的電容以及實際量測時probe的電容),另外,因為本身兩端的電容值很小,所流過的電流也異常地小,故而只要有稍大的noise或者leaking current,都會造成Crystal Oscillator無法起振

6 d$ P! n2 G  S& N, g4. 連接在XTAL IN和XTAL OUT兩端的回授電阻要很大,最好是50M ohm以上,而這是為了low current Crystal Oscillator而特別考量的,用MOS電阻即可

5. 最後一點,這是經驗談,當初我負責的chip回來,量測function正常,量測到的current約在4uA左右,可是後來整合到digital counter時卻出現問題,追了快兩個星期,才發覺到因為是low current Crystal Oscillator,所以其送出外面的Buffer也是使用long channel,故而它的推力很weak,造成rising time/falling time會有過長的現象,而對digital counter而言,過長的rising time/falling time則會有重覆trigger的問題,以致兩個個別電路均沒有問題,但整合在一起時卻出現錯誤計數的問題,建議你,在送到digital counter時,請他們加一個schmitter buffer,以確保因為low current的緣故而產生過長的rising time/falling time的問題不會造成digital方面的誤判

finster

先給你幾篇我之前作RTC Crystal Oscillator的參考paper
" D0 A4 m& a* t0 u: d找之前也做過類似的circuit,而且current只有3uA
0 S  Z0 a4 b, v: W. H1. 1999, IEEE conference paper, An improved low power crystal oscillator
' j' Y% e3 i1 w5 G' d4 P0 ]( \, N! B2. 1997, IEEE Journal paper, A 2.1MHz Crystal Oscillator Time Base with a current comsumption under 500nA
  i7 ~+ V# }* i# a, N: \2 N4 Y6 M& r3. 1995, IEEE conference paper, Low Power and Very low EMI high efficiency high frequency crystal oscillator
3 D# x; I$ {- a/ X) F3 ]6 j4. 1991, IEEE conference paper, A Cell Based Suer low power CMOS crystal oscillator with "on chip" tuning capacitors
這幾篇的架構可參考看它們的架構和方式
" i+ \% U( e- q" e: y3 z6 }晚些再分享一下當初我做的經驗以及遇到的相關問題和要注意的事項

hohozon

看完這討論串 受用無窮!

k9966809

感謝各位大大的分享說明

s7360381

因最近也在研究RTC, 感謝各位高手的經驗分享..

Juneje

回復 10# monkeybad

4 a& u8 q+ _0 t感謝大大經驗分享

line520

回復 19# monkeybad
% m- b8 Z4 f+ v1 s2 [: V


" G" F6 {6 @) ~
4 _0 c/ w) y* v% w/ r4 j8 [
雪芙外送茶坊LINE：qq12398765 sky：qq12398765q 及時：qq12398765

yih10

看完這一串討論串真的收護良多

ts.c.c

簡單建議一下,-R絕對值要大於水晶內阻3--5倍,另水晶C0值要注意....,另一般用的水晶是AT CUT,RTC 是Tunning fork 的.....

suewe

這是一篇極好的討論文章，謝謝各位不藏私的分享。

wwwww_hhhhhh

感謝finster大大提供這麼寶貴的經驗,真是造福人群,功德無量!

jghn

想請問下 正常做出來波型是收斂 還是發散


( J- w+ o! A/ ~1 p% {% V" K* R收斂是正確的嗎? 還是發散

chris020

感謝各位高手的經驗分享...
' q, D, b' U; g. ?9 U因小弟最近也在研究RTC..
* K: h: @% V1 T但不得其門而入...

m09701005

這是以前我口試報告某幾段有關振盪器說明
; {, ]3 [/ O1 _' b) N有誤請指教
有任何要討論可以E-mail: jacky741229@yahoo.com.tw

jghn

順利震盪後 你要怎看是不是你要震盪的頻率??

penyu1987

這帖討論太精彩了,最近開始接觸OSC,以後要常來~

Raygo

謝謝分享!很有用的資訊!

popfly51

我也受教了,非常感谢！

anita66

嗯~我也受教了,RTC除了這個輸入級的OSC之外,後面還有配合許多邏輯電路,都是值得探討的主題,3Q~

kmanwang

天哪!!這篇太讚了!!瀏覽chip123越久~覺得finster大大越強~神人!!!受教了~謝謝

anita66

感謝"finster"與"jackrabbit"兩位大大精闢的解說, 受益良多, 目前還在study中, 有什麼心得後, ㄧ定提出與大家分享, 3Q~