CMOS晶體震盪器模擬

monkeybad

之前有討論過有關CMOS Pierce crystal osc
現在我的模擬好像有點問題 想請教一下
! P3 V! Q0 S/ W  p# D. |# o/ h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
- O" \2 ]$ ^8 X% |2 k$ J然後a b兩點再分別接到Crystal的兩端
& |# _7 h, C1 Q  ~" @& KCrystal用的model是一個L, C, RS串聯在並連一個CO 震盪頻率為32.768K
. c9 _; u, v- A這是要for時鐘用的
) S, D  }- |0 A1 u2 i- o* }0 A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,
C1=1.2p, C2=1.2p
CMOS INVERTER: MN W=0.22U L=10U
/ W$ @( i! R- t' z% b+ X                         MP W=0.22U L=10U
/ X* Q$ Y3 q  Q9 V4 k) f' r2 QVDD=3.3V
1 k7 n: U0 \" Y8 x& Z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
# h6 g, t4 w$ A2 w4 q5 O就是負電阻加正電阻要為負 才會震盪

圖二是我模擬負電組的電路
! y: [. L$ Z; }2 @+ X( ^: s& qaa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 _& m  y0 w1 M& @然後我跑.ac模擬
.ac DEC 1e5 1k 40k
再下
2 g1 z" K+ d! z/ c  y' u.probe VR(aa,bb)
顯示aa,bb電壓的實部
% ^6 s3 y7 x7 u看ac的圖 在Avanwaves裡面叫做Volts Real的圖 看VR(aa,bb)
6 F4 q+ e; M4 O* D2 {5 d1 _  l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
2 ]& f' \, s! f! t1 Y
% F/ O  D/ h5 K% J' T在跑.TRAN模擬
我的初始值設定為
.ic V(A)=0 V(B)=1 V(C)=0 V(D)=0
5 N5 ~/ E, f/ l. x5 g  g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
  }  J: O* [5 [. G# ]+ c7 d請問是哪裡模擬出了問題呢?

monkeybad

圖二為負電阻模擬
! M, @* ^+ M# }6 w$ K9 H
圖三為負電阻模擬結果

圖四為b點電壓 .TRAN的模擬結果 發現振幅一直變小
( C2 E% \! x! T6 y- V. u% T
[ 本帖最後由 monkeybad 於 2007-8-1 05:03 PM 編輯 ]

monkeybad

For adele:
9 ]4 E' D1 ^& Q; d. M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
* W' V* Q: W" M1 w另外我是用HSPICE模擬的 我這邊沒有spectre耶
! H& i# J4 k/ X$ w
For m851055
% B) V7 n# ^# d' e4 A+ p; T* H% w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

For wwm101 :
% B$ H( ^; K  J; i4 `) ~- 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?

4 y0 v7 m, `$ f3 R有沒有人有經驗的能指導一下 感溫感溫!
! o; F& f* d/ U3 C0 i. n# N' }
[ 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
5 H6 n! n  n% ^) J! k$ {. h2 x! o( b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
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
2 R, ^% s2 S6 E2 b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
$ ?$ T+ _# x6 M2 c0 |" N結果神奇的事情發生了
6 }3 m2 z3 [" M; r# d( cCrystal Oscillator到最後居然開始震盪了
- c" W& {: F3 H& L* \好感動喔!
趕快來跟大家分享一下!
* k, a6 D! w5 {
( Z% h$ V$ ^9 |. m# p5 h1 t2 C. Y: W電路仍然是之前的Inverter電路
) p- w  g" [8 Q% [% r% Q; ]在d點加入起始電壓
. F) m7 i& i4 q9 DVK d1 d2 sin ( 0V 800V 32K 0 1e5)
模擬時間約400ms
.TRAN 0.01u 400m
$ K  g1 D9 D9 {3 q) L到最後就看到震盪器開始震盪了!
' x6 p) E& P- c: s0 z
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
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

! F7 w: h. C" k0 B/ l$ v8 I* |! H" U4 b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

[ 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

5 `) w% @4 L8 P6 B& j' 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
' V( u5 x7 U: ]3 {% ?) ^5 w1 `1 p我想OSC的設計應該是會震才對
) `! ^# ~  V# n6 G  ^) T
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
" Y/ r0 t( D5 T' w2 D9 g
- t" O! R$ \/ {$ W* ?[ 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
5 d5 ?7 a  d/ B% Z2 H
( y! d* p# A# O/ i  m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
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
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

7 m3 g6 m( O% A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
5 J  B% \, n6 v; _3 m, H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

若是要看steady state時的波形 就把起始值加大 加速他transient的時間

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
6 I; D8 R& w& R+ o( V1 \; |$ E: j
, k8 W4 h/ a6 Q- N) A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
7 y1 h, g; p) i9 v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
用這樣設起始條件模擬時間會比較快一點

$ L4 [% u% v/ y, ~3 ^7 }  a. I; k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
: u; O$ S( }5 o' V# t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
1 L1 l  [4 T; ]$ J2 H5 b7 R! Z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
# n9 r/ f" X' K: [! ?3 q# @
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
1 s8 }0 h$ k# o: c) }: u+ X0 w
[ 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!
8 C" v4 B- \' N/ F) ~# H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
8 H3 F2 M' p* u: A' @3 I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
6 ]. L8 E* i3 X6 t8 @" Z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
$ |! U1 m2 w/ V1 \1 K3 q6 O' ntime keeping current=0.25uA, VDD=5V-1.3V
3 u* e; r$ x& G8 y1 k* i
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?
7 t- o6 }  a! \# l- d* S0 Q/ J  X' Z4 I
5 N, P+ i' I1 L+ f/ v這種規格實在很嚇人
! G. a6 n! _' J$ S
0 y/ j9 [! i& N- R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

; Q, Q0 l8 l+ p: n( S看了討論區的文章
4 I0 D- |7 A/ u0 N- Z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
( ?7 h% x( U' d+ \1 h5 p設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
% j% f& g% {: v9 p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