CMOS晶體震盪器模擬

monkeybad

之前有討論過有關CMOS Pierce crystal osc
) R0 ]% r  m/ a/ D9 Y5 S現在我的模擬好像有點問題 想請教一下
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
6 U& j& j% @) ?9 |' \! h然後a b兩點再分別接到Crystal的兩端
Crystal用的model是一個L, C, RS串聯在並連一個CO 震盪頻率為32.768K
7 U6 v3 Q3 o; P7 _! n7 q7 W; ?這是要for時鐘用的
* Z4 p" p  |& C3 d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,
0 t5 @& R/ Y. n( k" O9 [& wC1=1.2p, C2=1.2p
/ w5 c  _! W& b" O/ uCMOS INVERTER: MN W=0.22U L=10U
7 {& w! [3 n. b- K+ l                         MP W=0.22U L=10U
VDD=3.3V
; \7 u" w% n7 J3 f* m: S$ {$ q5 _! R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
0 F7 A/ w8 ^: L& `
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
( U  j% D" ?; X+ Q! k2 V6 |4 w+ B7 u然後我跑.ac模擬
.ac DEC 1e5 1k 40k
$ o6 A2 L, b* F  q6 D/ w再下
.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)
7 U) m# O8 ^- Z+ |0 [' w1 K然後發現在32.768K左右的時候 大約是-520K左右
8 l2 k1 T$ ]+ u$ U2 I請問一下這樣模擬負電阻的方法對嗎?

. ~: y% M# J4 e假如是正確的 那負加正小於零應該會起震才對
; u, N# V9 H9 H- Y/ F; i
在跑.TRAN模擬
: e' C4 y0 s- U. I$ N我的初始值設定為
+ U. [+ x; `, L4 ?7 e1 }$ @! D.ic V(A)=0 V(B)=1 V(C)=0 V(D)=0
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
, o2 R: E- i( h- I, v* a5 v0 E6 k% o請問是哪裡模擬出了問題呢?

monkeybad

圖二為負電阻模擬
% f4 Z  Y: R$ y9 _6 V
圖三為負電阻模擬結果
( @. e0 g4 J2 F( W9 j4 \0 }
圖四為b點電壓 .TRAN的模擬結果 發現振幅一直變小
. Y/ ~. K; J7 {; z
[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-1 05:03 PM 編輯 ]

monkeybad

For adele:
! @$ f* d# _; V* _1 i" N有試過你給的值 而且用一顆NMOS gmN=44u 上面用定電流源PMOS來偏壓 I=37uA
可是好像還是不會震耶
& }* d; v% ?- d. d& {8 H  H另外我是用HSPICE模擬的 我這邊沒有spectre耶

For m851055
因為要做RTC(Real Time Clock)的OSC, 所以要求非常省電, Inverter的W/L值才會設這麼小
; g2 K5 o9 [" Y3 `& h3 G1 t0 [
For wwm101 :
; V) p- c: `+ G. O( Y: U: m那要怎麼下指令去給電感初始電流? 還有初始條件要怎麼設才恰當?

有沒有人有經驗的能指導一下 感溫感溫!

  L; G- o5 ?( B( H  X[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-6 06:17 PM 編輯 ]

monkeybad

感謝finster大大提供這麼寶貴的經驗 真是造福人群 功德無量
請受我一拜!

monkeybad

昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
. c% m9 l! ~$ O8 k% `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
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
# W1 P( F6 ]& m6 I# d/ t結果神奇的事情發生了
Crystal Oscillator到最後居然開始震盪了
! x% [" a+ g% k# H8 R好感動喔!
2 v! q2 p/ u- D! c趕快來跟大家分享一下!
3 e# Q7 A9 x& r! y- }+ H
$ q6 R5 }# ~$ Z# Q( C3 r電路仍然是之前的Inverter電路
2 [& }5 Y+ g1 Y5 ^在d點加入起始電壓
VK d1 d2 sin ( 0V 800V 32K 0 1e5)
模擬時間約400ms
.TRAN 0.01u 400m
  @. t7 b0 n$ }% F到最後就看到震盪器開始震盪了!

* Y8 v  h4 Q, E9 c" P& i後來又試了另一個類似的方法 就是在電路另外並聯一個電流源
6 I8 H" G6 A9 d/ l- M; X也是同樣的sin波然後慢慢衰減到零 結果也是能讓電路起震

. o/ ~* e* ^, C5 u, q另外好像模擬時間的間隔不能設太大 設太大好像也不會起震

附件為網路上找到的文件
- S& D7 X. ]  w
. Y* I* I7 D5 ]' J" e: l: \* X[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-9 10:14 AM 編輯 ]

monkeybad

恩 這種加起始電壓的方法的確怪怪的 因為實際上晶片沒有這種起始電壓
應該是要用正統的加起始值以及VDD上升等條件一起模擬才符和實際的情況

. Y& M, ^: G' {  }; e; k看參考資料裡面是說 在晶體震盪器模擬都要花費相當長的時間 這種方法可以加速模擬的時間
因為時間過很久後起始的電壓還是衰減到零了 對電路沒有影響 所以最後假如電路還是可以震盪的話
0 y& E2 V/ Z5 [- q% m& N% W3 b' ^我想OSC的設計應該是會震才對
4 j6 w: D2 s' }7 s
我覺得這種方法只能表示最後會不會震盪 不能模擬剛開始的時候會不會起震 另外就是可以節省模擬的時間
6 N1 z) W) e1 m5 u$ k4 w2 b2 T
$ A* X# w7 V( b" M' z' a" X: P  d[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-13 03:35 PM 編輯 ]

monkeybad

根據推導的公式 RP應該是越大 所需要的gmmin會越小  這應該是沒錯
: R, [# ]5 L9 I
# b( q1 R  c8 P1 e8 }6 w! b另外說實話 我模擬負電阻時也有遇到全部變成正的情形 但是我也不知道為什麼 我猜可能是相位的問題吧 Hspice把他反過來了
( V* U2 G2 y% [3 T" c8 W2 @- E1 t所以我後來就直接根據推導的公式去計算 就是之前那份Philip的文件 移項一下就可以得到正電阻跟負電阻的計算公式
5 h- U7 c- M7 o9 ?然後至少負電阻絕對值要大於正電阻 根據之前網友的說法是說要大五倍比較保險

8 V, E8 T% R3 `然後在時域上面去模擬 有一個可以參考的方法來驗證你OSC會不會震 就是一開始起始值的電壓用很小
然後你去看震盪器裡面的波形振幅 如果振幅慢慢被一直放大 則表示你的OSC是會震盪的
因為表示負電阻的力量是比較強的

% G! I( M3 Y: F9 [- ?! O# R若是要看steady state時的波形 就把起始值加大 加速他transient的時間
, D2 H7 Q( t2 w7 S! x8 s
另外注意好像.TRAN時間間隔也不能設太小的樣子 不然也不會震 目前我模擬是設0.01U 但是你頻率比較快 可能在設小一點吧

monkeybad

請問一下ADiT是什麼呀
. B1 O" X8 x) n% a. c5 m- F8 [
另外Hspice模擬中 我是參考之前的附件裡面設的起始電壓 就是原來附圖中的d點加入一個起始電壓
VK d1 d2 sin ( 0V 800V 32K 0 1e4) 其中d拆成了d1 d2
8 V# z; t( J. h! e! E那起始電壓用小一點的話 就是sin的震幅用小一點 例如設成50V這樣
2 K+ Y  K( S; g; x用這樣設起始條件模擬時間會比較快一點

+ L" ?9 e. M3 A3 ~另外再模擬起震時 參考finster的設法 VDD用ramp模擬上升 另外V(A) V(B)就設成3.3V
& D9 `4 v8 ?, v  x" h7 m! e$ Q4 k$ q那因為crystal從零一直到起震需要很久的時間 所以一開始你會看到XTALIN XTALOUT兩端都會被拉到VDD/2
但是你去看crystal model裡面的c點 應該會開始震盪 而且會慢慢變大
5 r* v( J6 t+ N1 x8 ]) I( g根據穩態模擬的結果 震盪到穩態時電壓振幅都會到上百V至上千V

2 j4 h, r6 e' |( X& ~) s9 \6 R另外我看你crystal model最好是去找看看 實際上廠商在用的model參數下去設
  d6 ^4 ]* |3 N0 A2 _
* t& v0 v; s2 }7 i, z  b( d/ P/ J[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-24 05:09 PM 編輯 ]

monkeybad

哇 32768的crystal OSC模擬要一個禮拜喔!
原來要這麼久 難怪我跑模擬過半個小時去看 怎麼感覺都一樣勒

monkeybad

另外附帶提一下 RTC晶片規格裡面 要求非常省電
) J+ x) L! r8 R0 v" l2 l4 Y因為可以延長電池的壽命 或是外掛的精電容可以撐的比較久
' g- p' s+ O0 d5 U) L! C目前我找到比較厲害的是seiko 還有一家瑞士做的 兩個差不多強
time keeping current=0.25uA, VDD=5V-1.3V

真的能做到這麼省電 而且VDD可以吃這麼大的範圍的電壓嗎?
2 c1 L2 F* z1 _( J" n0 ^* x
這種規格實在很嚇人
% o7 z- K& Z; z8 K% K' r5 H
2 M. T+ ^% C( D7 i猜想是不是他先內建一個LDO把電壓降下來 然後再用這個LDO Vout去做類比和數位的電路的power嗎

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

看了討論區的文章
- |/ d7 @+ `! W' S0 _同意裡面的講法
0 V: l( ^- [* `6 u; q7 H- U+ w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
  o+ r' p& |' W. e$ g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