CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
. b2 N: r# b( c5 ~9 D) r4 S5 a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!
6 o" i  n8 ^9 M" ?2 V$ J现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
0 R+ J& o/ Y) l" t- y% [; b6 Z
电感初始的电流设置如下所示:
2 r# |2 u' x/ X; LL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

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)
------------------------
! v5 z* R2 |7 R) l# L8 f8 E: Y- U* source 100K
1 l! L1 S( ^) p4 ^.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
# [$ n/ D8 F0 Y1 ^& tC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
" C; E$ ]5 p/ a5 m  u+ L=16u  
0 A# s9 a! p! g$ O" J4 ]7 I4 x+ W=0.8u         
0 S8 h5 {5 T" ?+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
& h7 R0 g% W  A& H4 t+ L=16u  
+ W=0.8u         
( L* `& X% g. g! W# ?+ a  m& [( X+ M=22
; m0 R, Y2 N4 C% O) N9 BR_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
/ b4 p% v! Y& B$ n% o% B: MC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
2 P( d% `6 K. k, B+ q& Z4 cR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
8 H: m1 _! m9 Z# x& n+ B0 r, d. K.probe tran  v(in) v(vout)
+ z  m/ I2 u4 L5 g/ }: `' I0 k.end

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
& S9 q3 x, K' M7 Q. I% E' Y/ G0 l
# u6 U! c1 r- B5 {看了討論區的文章
同意裡面的講法
; p5 j* z" }8 Z% Y7 Q/ |+ [6 {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
設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
, v4 i8 k4 I7 o# g1 I6 q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
! g1 V' Z. P& IHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...
) m% {+ o( P5 W5 B" N+ C. b1 ^3 h
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)
' o: B" L8 H' ~  h/ x1 ]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...
8 V, X: V; B1 g/ I3 K- h' }
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
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
7 K$ z# i! {% H0 \  I: Z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)
. o" p( e3 p/ R' H4 o8 R+ b還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

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...)

3 z1 C8 m3 r  s+ f# a[ 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.
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.
0 t5 K# c, S# g  K/ E9 o小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
, ^+ H& y+ j3 \* T& {% ^$ H0 y! r在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
! P) `8 O1 V/ J想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
+ V7 u* m) k9 t" p. f. c謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
" j. x" y+ C  K: I; G; j對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
4 C( N) u: r1 G+ a) C/ TIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
+ m. M9 D6 ~' X# b5 CIC=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
; t# |4 F9 A, p3 r# N1 X. l6 U昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
1 f( @/ n! v4 t% S1 J2 a3 W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
8 P; J$ v3 O5 ^% i: y- E結 ...

" g4 y0 d/ a' X6 O8 P
- H) T2 F$ u4 e  F+ W小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
, R7 [; V. T  q! o2 \5 t$ e; gmonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
0 N, t/ [# R1 ^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
3 J1 ~: T, Q  d# S- ^4 ~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....
$ [% C, v2 q5 m+ ~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?
4 g  u+ W' G% }6 w0 m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?
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?
* |, _; f5 l, ?* d4 U& v% W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
8 u; r& n- V+ ^9 T) ^不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
$ V8 q  {0 y- f0 F; w; z+ {$ K
1 v3 K- L1 Y7 Q7 O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

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
% q; r, L! n& ?- r8 `  i对于负电阻还是不太理解

markcheng

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
我是design一個32.768k crystal osc
- t# |/ ^7 I1 Q9 ~; e6 h3 cic 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
; U5 r6 N: I% \" v. g" |2 i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)
% J  G0 x; t1 i- \7 a我當下是覺得探針類似有電容的效果
/ {% \* R) ?3 P8 T9 x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 ?# k$ x7 H" c: P2 G還以為是noise的影響
+ H4 E3 l; j: ?1 v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
; n' ^8 u! i6 M2 F/ H# D! o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
4 O" T+ T# d, C4 T: D+ b感謝finster分享
6 j  Q6 ], `3 i! q/ N- {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
1 Q: W- W. L* k: m; W1 uic 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 ...

6 g4 V7 c) D  z6 W
: H. Z! J; q* I; W
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
- U8 J& \6 t5 f2 x0 ^. Y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 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
& Z6 N& |  G+ E$ l  M0 l9 }. ^


: p2 \0 |- m( F( p0 g不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
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 ...

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
有沒有參考資料可以閱讀的
# C6 Z- U' [! s$ F( T2 ?+ F. T- ~或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
$ X9 }& i5 s, ]  h( A0 S2 ~我查了些參考書還有文件後
總算對負電阻有些粗淺的了解

/ o3 d3 f1 c" q6 r* k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
算是可以正常起振
. u2 k: Q6 A+ s3 k5 c: P& v
& e2 q# V. K1 M# R% k1 t5 t! v我的經驗是
若是使用HSPICE的話 Time Step 設太小 模擬時間會拉的很長
7 r; ~1 X  g* b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
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
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

# m, w- ?9 H! ~我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
% z/ d" I3 J2 X0 r# V' v3 n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
兩者會有差別

. ~% e" ~7 g1 P, p! G' o9 U# s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
2 Z1 ~* Z/ C, n7 C7 _# c( c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)
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
如果把石英拿掉的話
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
3 ]) Z6 b9 F  G. k' B3 ~: w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
; l+ \2 U8 c- _, s! ~) I只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
* |2 `3 g0 o$ z9 O! p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
還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
! b2 P- a4 c1 w+ z然後負大於正就可以起振

" G; R  O1 U4 S0 t. _+ q$ m另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
5 s% U# z8 r9 p! W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
不知道這樣合不合理
謝謝

jasonwang0911

這一篇的討論真的很不錯!!
   受益良多...

csleea

真是很棒的分享
& @2 m( _& O1 b; t; y2 v; G) n4 m. u$ _
* C7 F7 o5 V- X7 I& oThanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
crystal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