CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
5 O, J/ w' a( x7 u/ ?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!
$ Z7 w% D6 a9 K
电感初始的电流设置如下所示:
- z. D$ t& {3 G6 o5 u/ TL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
- @; R; W: k+ a) _/ N* e. T
. M# v$ G2 S1 Q( p) M9 |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)
  o$ s, y; U  R3 ^+ u; I$ [------------------------
/ n% h* f) ?" w) y* source 100K
: ?# M7 p6 X8 g4 P, V& {.PROT
.inc 'd:\hs\lib\level3'
! @6 ?% O' G2 m6 ?! x& u. u.UNPROT
1 K4 |1 g6 u: _) Q8 QC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
8 ^# Z3 k4 \. J1 l4 l9 c7 fM_M1         VOUT IN 0 0 n
; ^# E+ K! r2 R+ x+ L=16u  
% E6 y- I$ p/ Q; M4 `+ W=0.8u         
+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
8 p) C0 T7 y& o* c+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
7 f# F; C( U" kR_R3         IN N11450  18.5k  
1 @5 m5 Z3 F. i8 x7 sV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
5 w+ }. G2 `. vC_C1         IN 0  5p  
2 W2 x( H, e# g8 p* W4 \. q. UC_C2         0 VOUT  5p  
6 _* I4 g6 m8 q  H  \3 ]3 K, ~" }* }L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
4 V; Z* u6 f' l. t0 o  b) FR_Rf         IN VOUT  50meg  
( z5 y: o5 M' y+ }6 sC_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
# U. z" r! k3 d0 Z.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
; V/ w0 x, w( `% Q3 s- L' o  r.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

看了討論區的文章
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
設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  
9 H+ U$ q$ n. m8 h8 [/ {- Q7 o5 w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
3 D- F4 y3 F0 C4 B, i4 jHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...
' t0 [6 g) Y6 I
6 }0 `7 ~1 a$ a# F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)
9 S- k$ j, k6 i, T- t/ y1 E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...

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
4 z  X( ^( s! f1 i6 s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
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)
還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..
( l1 _" T5 U! N/ o
只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
7 w+ o" \- m3 D$ o" g! W6 U9 I, ?* W(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)

! L4 `# E7 x9 s7 k$ ][ 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.
# d# l  U+ p1 q8 {0 q1 l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.
小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
5 g- G! k( H: P! U3 n. \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??
謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
IC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
IC=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
( l6 u# `& [& `" [6 h- @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
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
結 ...

& g$ l- Z( E/ N6 V; i. s, _
8 p# @. ~: ~% f& X! H+ C小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
monkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
/ f  r& [, |$ x1 j( b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
# h1 S" B% u- V) m7 V1 \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?
  r. p4 x4 T  T2 }6 p* P: a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 c% \1 W# I3 B" p$ ~% |) 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
5 q! \& R6 n$ q4 O, d
( b# x4 v2 Y7 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
! s) M3 j+ a0 K1 Q3 V* j還有一個 小方法 能 簡易評估
- o! _* `  P0 i  N& V. y  f
; M8 d5 b) H+ M( p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
5 F) H9 }: O7 N, P. r# r) |对于负电阻还是不太理解

markcheng

感謝finster分享
5 L- J0 l' Q7 c. Y1 m* M/ ?, K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
5 D4 Z. p* F/ O1 y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)
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
- F3 O- O. n! l. [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
) g, }- J' h: ^4 @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
: l# o, z9 g! r  Fic 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 ...

9 W6 Z* K: T* }% y% E: a
, t# s/ Z; N$ H* Y# F* S不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
3 V5 t" z; I7 @' U/ Z所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
5 t. p4 k* ]' g. `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
  g4 P: ]2 n) [/ ~6 Z5 H


! v8 r+ p- n& F3 Z2 S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
0 g* b3 n# Q+ j  C; G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 ...

& a/ A" o. Z+ B0 k8 f$ t3 `
0 t/ q7 X7 b6 Q; J0 g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
- X  K1 q! p. S/ N% U到底是什麼阿
有沒有參考資料可以閱讀的
! E2 @# J: N; w. D8 [# m或是哪本教科書有提到的
- q9 z( a4 l) W: T+ \  U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
' l; F0 x- R! Q4 g9 k5 M7 G9 S我查了些參考書還有文件後
/ L5 H! D- S/ R3 |: D! U* \總算對負電阻有些粗淺的了解
% ]) ]- z. ?4 _/ @; G: S
% A1 ?5 w! X7 Q" @; v% {最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
/ g- J/ X; v! |( `% R+ J/ T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
8 p, e; r% R) W" c5 f5 H! D+ j
3 J- W5 R) O: h& k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
- n# [( D1 o5 u$ g6 i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
. W& c  o# Z+ S7 N; f: j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
2 i6 M! K5 E. o: g% Y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

1 L. G4 [& W! C* A6 w9 Z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
% S- s! a% b1 k' y你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
9 X% c) q1 c) r  k1 b/ |5 H兩者會有差別
: h: C3 L4 f% [  n' k
如果要用並聯的方式討論的話
% f5 g) N+ U; m# b# R8 p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)
應該就可以起振了
* |; c6 v1 a: |3 X$ {( n
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
' Z% w4 S2 F+ r- {5 l& S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
. ~5 ?8 ~1 P( ~0 ~' W- s3 z2 `
一點淺見
6 J! M2 a6 d: `; t- E$ f! |/ |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
它其實是Crystal往外看的等效電阻值
" U  X+ x+ `5 S* V3 {所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
. \9 F0 c: C; I% t0 Y, C6 J6 N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
; ?6 _2 h6 l! O5 w( L" o8 {然後負大於正就可以起振
# m4 a0 X6 c" }& e5 ^
另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
  Y2 k' C1 ?1 [( h; O/ s" ]在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
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

+ K  K. X6 c7 |' `Thanks 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