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Chip123 科技應用創新平台»論壇 › Chip1 -- 基礎元件 › Analog/RFIC討論區 › CMOS晶體震盪器模擬
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樓主: monkeybad
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[問題求助] CMOS晶體震盪器模擬

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wwm101
21#
發表於 2007-9-8 15:01:03 | 只看該作者

回復 #20 monkeybad 的帖子

to:monkeybad( f6 S/ J) x6 k. ^4 y
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!  B: B: Z$ ~9 @
现在是我稍早前仿真的一个振荡电路,希望对您有所帮助!
: X8 `2 d3 ^' y7 t7 q% {4 T/ n  |$ M) T8 h% l, t
电感初始的电流设置如下所示:
! k! R3 X* ], bL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA 4 q5 y! B( J6 D$ v. o  y4 Q0 O

' w: H+ h6 {' \' [注意给电感设置初始值要不能太小!
* ~5 @7 O% ~* t. q; Lhttp://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)
$ S' i( C( _) K* J: B; u/ ~------------------------9 M/ [% J! Z# m
* source 100K
+ T- D8 ~+ d" v8 L+ A$ i# C2 X. ~.PROT6 h+ |) n9 m) H
.inc 'd:\hs\lib\level3'
; M% v/ b, M' u8 J' j! }.UNPROT, F9 C" p+ v+ ~0 X& m0 n
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
$ K5 k0 ~; g7 V; j' b- P/ IM_M1         VOUT IN 0 0 n5 a& `0 \# u& x4 B
+ L=16u  
- W# ~" T: `4 T$ d, m. c: E+ W=0.8u          3 B+ N2 p. F- g. C# z
+ M=10
9 Q4 m- |2 U1 ~; A9 N* v4 \9 L8 {' D  `M_M2         VOUT IN vdd vdd p . e0 j! R  f, d, }
+ L=16u  . ?# l* z' c7 L! H) U8 V
+ W=0.8u         
# H' M8 ~3 k. _: X+ }+ q9 ?+ M=223 I2 A  v, _' A& _. T1 w$ a! @5 w
R_R3         IN N11450  18.5k  
2 ]( A( e1 d$ l" j2 D9 s& sV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)$ N! i4 u1 L" S0 b: ^* |
C_C1         IN 0  5p  $ B6 r+ n3 `1 b5 z- s
C_C2         0 VOUT  5p  6 K% I- B6 ^% n/ V
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA 6 O- f3 {. z) H8 h6 K2 R3 m
R_Rf         IN VOUT  50meg  5 `" `5 p6 r/ r
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  9 p0 h* `8 i5 }' Q0 }
.tran 1ns 20ms
4 `+ N) I  W, p3 z/ t.probe tran  v(in) v(vout)
) s6 h! T$ O( e2 k8 l3 |.end

評分

參與人數 2Chipcoin +5 +8 收起 理由
skyboy + 3 很受用！
monkeybad + 5 + 5 謝謝這麼熱心的回覆 這些資料非常有用 ...

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22#
 樓主| 發表於 2007-9-8 16:44:00 | 只看該作者
感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
! ?7 b5 l3 ~/ e' @+ {) x. p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
3 Z' q& z- [) o/ K1 X$ s6 Q
6 r+ Y  y# q) n6 _* J看了討論區的文章
" s. J7 t8 j. b/ U4 i9 Z5 K同意裡面的講法/ D. ]# I* H+ W) b  S
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
: D( V$ [) W: S! Q3 J設不好就都掉到ZERO的狀態 而不是震盪的狀態  * n. T/ p% T& B; k8 d0 c9 e
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
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skyboy
23#
發表於 2007-9-9 14:38:59 | 只看該作者
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
/ k$ l' z* L6 D* y9 \HSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...7 x; Z& }' _- C8 w. d% g! i9 t
0 x& O2 I. S) M: i* T
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)
6 }$ m, q+ `8 P. g0 j0 `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...
% u; q% L/ O, {& z( l: c( M& N& l8 v0 v( j
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$ \: h, O: e" l+ h
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
4 t) J* O1 [9 g; i+ @8 c1 q4 u! ?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,
5 I, v6 W, X2 D! G9 F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) $ \7 |* |/ N0 l, ]$ O
還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..# @# ]- A1 b* g( @1 q1 p

) _6 J# Q8 O$ b只是 time step 設到 0.1ns 用 HSPICE 跑 12MHz X'tal 要好久....>_<
% Z) s: Q/ o' O8 C(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)
' c- F; K8 U; U6 D1 o
/ E, {% X* K" E) o6 [+ x[ 本帖最後由 skyboy 於 2007-9-9 02:51 PM 編輯 ]

評分

參與人數 1Chipcoin +3 +3 收起 理由
monkeybad + 3 + 3 經驗之談！值得參考！

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ainge
24#
發表於 2007-9-10 14:39:39 | 只看該作者
各位前輩, 不知大家是否模擬過Crystal oscillator的phase noise.
7 D+ x1 p6 e! a3 b1 e7 X5 z; y) C小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
' k9 A4 B/ T+ k3 R" ?  z1 y# ^! T為一CMOS反向器加上Crystal's model. , s3 Z( ?4 i/ B/ b  D- o
小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
! C" |4 k  H% K# ~1 |* _$ F在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.9 B) _+ N3 k) @
想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??2 D" E4 ]" R+ j
謝謝!!
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pk168tw
25#
發表於 2007-9-10 18:24:26 | 只看該作者
感謝各位前輩提供的資訊．
0 [# p8 ^. \- g; k/ s對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
$ |% Y- ^* w* o% D( BIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．! M/ a) A8 j9 N7 ]& X* v
IC=0.1na，也可以振，只是起振時間拉長．謝謝．
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26#
發表於 2007-10-7 12:50:25 | 只看該作者
原帖由 monkeybad 於 2007-8-9 10:01 AM 發表 8 }  w& a8 ^9 H$ E) v2 W
昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
( m5 u; J0 A, X. u) }$ v' M2 u5 v9 E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
, {9 c  ^6 J3 A+ C+ [5 D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& Q% l, n1 W" G: ~. ]" r+ ~
結 ...
# r; K6 h* p* k" |& E; N* l
; V6 i* m6 ^' |' D" Y3 a' Z
小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多) h+ ^& q& w; Q1 y; k) r
monkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
1 @5 }  L, g) z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&Gnd5 W4 n' p5 v) c7 \9 P8 [
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....8 E7 k4 B( K( O7 K5 z8 O, Z
Xtalin > Xtalout還可以理解, 畢竟兩端的loading不同) C- z$ a9 g& i- k6 L( F, G! Q9 @
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?- I' I8 ]0 C+ D  o
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?* w/ W+ [  a- I0 \  j
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?
! _8 K5 a. j. M2 O煩請各位前輩指點了, 感謝!!
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gimayon
27#
發表於 2007-10-8 00:29:48 | 只看該作者
實際 IC 確實有振超過 vdd 的案例5 u. U8 q" f6 T. o! w/ L1 t: x
不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題: Q; Q/ B6 @* s% m0 M0 F

$ @; }' Q! T$ s: ^/ p嘗試降低 負電阻 試試
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gimayon
28#
發表於 2007-10-8 00:33:36 | 只看該作者
實際量測IC 負電阻 + D1 R' @- C3 S' s; N; x
除了 網路分析儀 外
! [1 {8 a9 j3 S, j還有一個 小方法 能 簡易評估 " h2 i- y' e! N$ \1 m

+ h! n% q: F, S' m$ A# Y缺錢 賣10代幣吧  有人要買嗎 ?
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29#
發表於 2007-10-27 10:17:47 | 只看該作者
受教了，我也遇到晶振振不起来的问题了. B1 f& _( ?9 G. I
对于负电阻还是不太理解
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30#
發表於 2008-1-15 00:33:08 | 只看該作者

回復 8# 的帖子

感謝finster分享7 F$ g( B1 j  H' i/ u+ u
小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的, r/ N  t; x+ J& b0 H0 }7 S
我是design一個32.768k crystal osc
$ _2 x2 ^6 [7 e( r1 @6 a7 Y* r+ F% t! dic 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
/ B* B* ?; l& Z- J3 R6 l/ d4 N- h所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
+ q1 ]0 {' Y; S; f我下探針去量測,發現頻率跟波形都正確  W# x$ L' ?! a4 x1 Y- `; k
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)
% S& [' J6 F( o/ D" f我當下是覺得探針類似有電容的效果
  _4 g; v( {, r# m9 }3 N# ?9 |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 X; t3 @6 Z% e
還以為是noise的影響% {* m% N1 `, d: @/ d8 q+ n
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% P) Y! o; h4 T. F, z' @# G+ J
看看問題是否可以獲得解決
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finster
31#
發表於 2008-1-18 09:26:07 | 只看該作者
原帖由 markcheng 於 2008-1-15 12:33 AM 發表
1 |. @: h  T! A感謝finster分享
# l  {) L& b. n0 l/ m1 k3 B小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的4 |  @  n  `4 s8 }6 @0 o
我是design一個32.768k crystal osc+ i# H3 i3 w9 y& J8 J6 O# A
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 ...
2 h5 `7 N$ c/ @) U* ]7 T: G( Y

, j4 t* J( V! q+ c; }7 E
" E0 P' p' E# J8 e不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
& C- U0 i, F  O% L2 t所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來' z( w2 J, S% q# J0 }) l% F) Z6 `5 x& P
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
, B" s. a5 y/ h0 T, R& n: U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)
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32#
發表於 2008-1-18 12:22:06 | 只看該作者
原帖由 finster 於 2008-1-18 09:26 AM 發表
" R3 |& L4 P# C2 H. `" ^0 @& f! j* g; w0 Y0 `: j' @
: G% d; @0 ?& D' }0 C6 J
0 z, z  l; D; D7 a6 J2 R. {% W
不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了& X4 G9 B/ M! g  a( X
所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來8 z, P6 L& h9 @3 ?$ C! S& _
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 ...
$ V2 E- i+ n/ B

# L% g$ r! e+ v9 [& l* \' p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
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33#
發表於 2008-1-24 15:07:03 | 只看該作者
我想請問一下  之前一直提到的負電阻+ x2 }  l; x3 f+ `! Q1 r
到底是什麼阿3 `% Y" \- f$ G4 u
有沒有參考資料可以閱讀的
+ ^1 X% m2 ?8 F8 U" [4 y0 z) `或是哪本教科書有提到的# p* v; d& Z4 e3 j0 m) v1 F9 b# Z2 ^
我初踏入這個領域什麼都不懂0 K6 i9 H$ z% n$ S
謝謝大家了
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34#
發表於 2008-1-31 11:33:38 | 只看該作者
很抱歉之前問了個小白問題
7 y1 E% U# G& I6 ^! i/ e) p我查了些參考書還有文件後) j5 {& ?( B. j/ y4 D- t% {
總算對負電阻有些粗淺的了解
  v; {* ^, W5 p% w3 v" N2 L/ A9 Z5 F2 ~6 n6 G0 w9 O) t
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator9 M4 i& H* _2 A: w8 N6 e
參考板上的文章後 把前人留下的電路丟下去跑模擬
0 E/ Z3 d/ o4 D( r1 R/ J算是可以正常起振
/ x7 D5 t; G; `% U( g1 A
% g1 P7 P0 o5 E3 L5 B& _; L% P我的經驗是0 a( l  |5 M' @: |) A
若是使用HSPICE的話 Time Step 設太小 模擬時間會拉的很長
6 E! b5 W& g7 I5 h* ^# D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
9 v$ N" v6 D) A! M: V( ]) Q, i# ?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1 P5 p' K2 I1 h) \8 Q
但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
+ l7 H. y+ S  p7 x7 ?以上
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35#
發表於 2008-1-31 16:39:37 | 只看該作者

回復 2# 的帖子

給monkeybad" ^, _7 [4 B( @1 u6 B( j
2 c0 W4 B! u0 m" k
我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題! ?: z' q3 w1 [5 X5 I. A# b' H& r
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& f' Q, H  |, h, V. E, w
你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的: Z- ?3 ^) V+ O$ [0 R" q. U! H
兩者會有差別) j" s+ ]& C: n/ N+ J. r
0 G* I& o' n8 t
如果要用並聯的方式討論的話/ o2 g) Y4 K* l- n3 Z
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
/ z- Z: ?! C3 p2 G3 |! H  M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); Q- c; X. b  q$ f
應該就可以起振了
# r8 Q+ ?9 X" p8 I$ a' e( _: d6 S9 e0 `4 S' k3 R
另外有個問題
* o  {8 F( ^! G1 [% }不知道在圖二你是用什麼方式把頻率鎖在震盪頻率
( W! k7 `4 B; L& Z% z如果把石英拿掉的話
) X  _  V( e" ?5 L7 X( {5 m! w3 l震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級3 v9 T$ w$ v) Z: x8 V
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
" l" A8 }6 R: V
$ w- F4 P9 M% ?3 C8 u一點淺見
8 K5 {5 Y! L4 D/ [% F有錯請不吝指教
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36#
發表於 2008-1-31 22:41:07 | 只看該作者
抱歉 我又來囉唆了
- `+ d( s2 P" r  _, w6 m我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
* h1 ]. v& g. B# P2 T. t只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣8 u2 t" u- k+ t% [: I8 R
它其實是Crystal往外看的等效電阻值
& C2 |9 h% v1 s所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
# s8 b# f% \' R! @4 O8 A還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣( K! v5 q& Y* p7 d3 _3 P+ Y
這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式2 F  z; B2 a( V$ z
然後負大於正就可以起振# l" J5 t, l# x6 e
% d2 @5 }+ \# }% K6 M) ?) c+ y
另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
1 A/ s% D3 @1 `2 j  o7 J  k在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
6 p; ~3 K3 }+ ^6 Y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& o* @9 G2 o. |/ [" ]% j
不知道這樣合不合理
1 T" M0 }3 F9 o, O謝謝
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37#
發表於 2008-8-19 13:30:06 | 只看該作者
這一篇的討論真的很不錯!!  F4 v$ R; Z. d$ s  s$ p
   受益良多...
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csleea
38#
發表於 2008-12-22 18:27:46 | 只看該作者
真是很棒的分享
9 Z- G" u3 U0 e; n1 _; [. x# `5 o) i) f4 \+ M1 w+ m4 ]
Thanks for your input!
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nowich
39#
發表於 2008-12-22 20:23:13 | 只看該作者
谢谢f分享经验7 i+ a% n. X: s- g' S# h: @
crystal的等效模型各位是从哪得到的?
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40#
發表於 2008-12-24 20:38:47 | 只看該作者
嗯~~多謝大大的提供~~小第也在做振盪器~~~謝謝囉~~~大大
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