CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
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!
现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!

# k& P; D$ N! e0 U9 U) f电感初始的电流设置如下所示:
( i' w( X1 [0 l; g+ ^L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
) n! e$ [8 F1 `4 S$ s. S
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)
8 {) G6 ^3 y+ p) v8 z------------------------
* source 100K
6 C, q' D! L; H6 d% H3 ]' b.PROT
5 l: a# s1 m' V. x; V8 p0 ^.inc 'd:\hs\lib\level3'
; S# p8 G& N- |' h* T- {& t.UNPROT
7 Q9 r) W+ @+ b2 B/ e" t4 NC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
3 `9 W, a) y5 A: {/ B! ?5 p) rM_M1         VOUT IN 0 0 n
5 U6 \. s( Q# A; j$ s+ L=16u  
/ X5 F0 _: H/ g+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
. `( V: s! f& ~) T- ~9 [0 W+ L=16u  
+ W=0.8u         
, H* l% C2 ^6 {7 a1 K' W. b6 ]+ M=22
R_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
, F/ _( b- r8 j! h2 o. `' _C_C2         0 VOUT  5p  
" j& L) r3 t: L$ j; i+ V8 BL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
R_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
) |" G0 M# `* l! F+ I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
# v# q& _( k% @) @. R同意裡面的講法
4 R  p! ^, ^3 d" O* y( Q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
( ]1 I: I+ @3 H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
" l. J! q& h) @" m; g) qHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

& {8 K8 S# s: n8 K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)
5 L) @, t& u0 V4 W) g3 ~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...
+ [0 I4 V$ Y! j7 ^
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
# D) C5 y, t1 H- U4 j+ R* n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
: X0 X) }8 _' ^  j) N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,
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)
2 I* D5 q0 c1 L9 Z7 b* z0 R還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
. ], o& l$ s; ]) [. a8 Z- k
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...)

. y- y5 G7 |' b2 F[ 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 Q9 ]2 X# o* E% }0 S" K4 k, _小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
為一CMOS反向器加上Crystal's model.
2 Q3 K$ d9 J+ W, X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??
- z+ A0 Y& a! d2 V6 O謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
. C* g) ?8 q, l' g; T1 a. A* Z對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
) ~3 ]; }" E. `4 ^  q* lIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
: W! [4 H( ^" K  Z. w2 ^& LIC=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
/ p7 d9 N( \& \1 q- M& Q* r5 X9 g1 y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
' G4 e! Q& i1 E1 M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
$ V9 g) v/ q3 z* O# E結 ...

! Y) {* h1 e8 A$ e% K/ U小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
# F+ T& J- ^- w0 G9 U) S) {) {monkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
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
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?
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?
) K* i% t. @0 G/ O! T% c# ~5 I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?
0 Z  v+ t7 V0 `/ @) {+ K  ^* n* K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
  k; }! j% z: |* V3 Q$ C
嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
除了 網路分析儀 外
還有一個 小方法 能 簡易評估
, E" w: {0 E- @% y+ m
  Z4 `9 F+ k1 g) g( N' G/ v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
2 U- _" d: Z; E' z" Y' m& u: T# Z小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
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
  I4 e' B* t: \0 `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
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)
8 K. E# ~( s% v$ u1 Z( F我當下是覺得探針類似有電容的效果
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
9 u2 @7 M1 r" N  ^  w1 e7 `還以為是noise的影響
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
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
小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
/ o, B8 E" N2 M4 z3 m0 I# I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 ...

! a* e& w1 B$ X  v9 _. {
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
: P6 n6 F( l. E8 H4 x; S& K所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
5 M- E6 p/ R& t: ]% X& t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


, `4 w" X8 @7 {0 T
. V% M: v1 [' x7 ]6 X  c不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
3 ?+ m% w2 r4 l. T2 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 Crys ...

" q0 k, c1 l7 z$ B! ^% m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
到底是什麼阿
% }' h/ |( A4 |- x有沒有參考資料可以閱讀的
& b# N; d% T2 F2 |9 A8 A; B$ m或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
0 P. Z1 _. o9 D% L/ v& k- |& E, `$ H+ ]+ H謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
4 L0 }% a7 f( R: `: Z我查了些參考書還有文件後
, E$ U/ H% v+ |% R4 k+ B6 k1 V) k總算對負電阻有些粗淺的了解

7 B, e0 L9 q5 S. C5 P4 c最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
5 X4 M+ N2 u9 i# t6 V$ c算是可以正常起振
9 l! V0 c. `; c2 l" c3 T7 x
3 a  I9 v4 j9 O: W3 M1 S我的經驗是
! r/ \1 J0 ^8 u" h2 L- w% y若是使用HSPICE的話 Time Step 設太小 模擬時間會拉的很長
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
' O1 h4 ^/ N. g  g* S$ ]" L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
* Y9 a; `9 Y/ S1 g8 c但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
以上

ilovehorn

給monkeybad
. r/ S. c9 t$ ]" w: L
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
. s$ M, G/ s8 ^$ B/ ~0 O6 @兩者會有差別
& {2 S% M! [- i9 r3 N8 Q: ~
& u, a* C1 l0 m) ]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)
, M: |- |( E5 o# L( t; C# ]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
; T/ v; P+ d, T; l' H  ~7 s3 w7 b4 o如果把石英拿掉的話
9 Q( x- L' |% c0 }' B, U' n+ Y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

一點淺見
有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
# G; E) J7 z4 i& u  k: ?0 h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
; P: d/ s/ E/ x; g7 Z7 \還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
/ g0 p* y, T# j" |, ~這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
6 o* B5 Q/ l$ Q然後負大於正就可以起振

' @3 Y2 s+ e0 U9 L# x另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
2 z& J5 ?% Q/ w' l在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
: E! C. W% e  c% q" E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
2 S; T2 P0 \! ^0 z- E: F不知道這樣合不合理
- |4 x; ]0 m$ t1 k; M9 ^+ t0 c謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
- [8 L/ p! c! W' K" Q   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

' E! L% k% ?$ W$ bThanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
: j7 {1 `& B0 E2 S8 M7 |% T5 Tcrystal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