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!
7 r  G& F7 z0 @7 T8 M
4 e# \3 ]5 q3 q7 M电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

% E. ]8 l3 p/ ]+ t5 |4 t, L6 F- ^. T注意给电感设置初始值要不能太小!
8 ~6 T% l1 }7 D- W; w7 N7 k; Rhttp://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)
4 E( ?! z3 n  n  m' c------------------------
* source 100K
7 C2 d4 e) c7 P. G( `  y2 ^.PROT
8 ?+ G# x5 c+ _! }+ ?.inc 'd:\hs\lib\level3'
% h, _7 ^* f2 Z9 D) {.UNPROT
' g) p4 x0 n, w5 ?1 c3 `2 |. IC_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
1 T: Q7 z& j# K4 ^1 s5 y! s+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=10
8 ^( ?: J) _7 q0 F0 p% w, QM_M2         VOUT IN vdd vdd p
+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
6 F+ G% H4 w  }' j- \9 ^R_R3         IN N11450  18.5k  
6 Z1 T' K( l/ F" j/ _% {2 O6 m' r: FV_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
C_C1         IN 0  5p  
% l& G$ e, I4 E9 y: J' ?! rC_C2         0 VOUT  5p  
, m% e4 ~# G' }7 \2 n0 PL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
, L: I3 O, R; V7 }0 AR_Rf         IN VOUT  50meg  
4 ~3 A' e0 s- Y+ E8 c# t) @* |C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
- B* z) U2 b) u: n$ E" H9 v9 L$ c.probe tran  v(in) v(vout)
3 J0 Z' \. }* `5 b/ m.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
4 x7 K: f: R6 k6 h3 M3 ]
6 [6 ~+ i3 N: [6 j/ T' h: e9 ]3 {看了討論區的文章
6 ]: ^7 d8 {; N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  
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
* \$ \1 q7 n# @* Y* Y: IHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...
, f% E, m5 C- }
+ ]) D. ~6 V4 Z$ B. P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)
$ A  N7 @6 B3 }1 S: h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...
# m. ~0 |( u% i, n; @9 H
. p1 g- `: z9 p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
. \- u9 M8 [$ g" 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)
還可以起震, 跑到 12MHz 時就掛了..

5 f$ `  G4 i- O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...)
! i& _1 g8 C+ U# I. x, O5 E" B% g
[ 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.
) e0 a0 e7 ]5 Y* n小弟最近在模擬20Mhz的Crystal oscillator, 架構和上述討論的一樣,
1 D/ m5 S" S6 S為一CMOS反向器加上Crystal's model.
" _# W  }: r1 `2 h, U6 ^8 l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??
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．
- b% `) f. w% }$ M7 ^, d' K# J8 gIC=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
7 j0 H: F" Z! o. |3 W  y% B; a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
* z2 _0 ?# Z$ s6 Q結 ...

, ~! _5 U  [1 Z
. v8 d7 G8 a3 x) K6 o9 ^小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
& }) Q% |4 w5 tmonkeybad 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
% K5 B; v# N# B" a/ k/ Y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
0 q6 n, Y4 F+ Q0 q/ n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?
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?
+ _& o" [) \1 V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
  O0 B& B& E  G4 m' Y& T; }不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題
5 B9 V6 O9 A8 g' o  @
嘗試降低 負電阻 試試

gimayon

實際量測IC 負電阻
% ]: u# }% p  H/ n0 o, B/ a$ `! e除了 網路分析儀 外
2 P' b! R& E# c4 E, o, t) W還有一個 小方法 能 簡易評估

& a! @$ y! H/ T# m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
6 p  }9 [1 {7 p/ K3 w1 X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
* X/ @/ R, I" A9 @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
7 m6 a  }9 n  I1 J, Z2 B2 {; [所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
! u4 _& q5 o. v% O, |. i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)
) @( W0 T9 I+ `: J% A" K' e& Q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
. o5 R, s) [7 B3 C2 ]1 l還以為是noise的影響
; A  c2 ^2 ?6 b% H6 [& Y/ F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
% U. X6 ^* T3 M$ w% v; H* l  ^3 o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
3 U; B8 T* W9 N! {  f. bic 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 ...

3 j; v$ D4 G+ Y+ Z3 @: Z
& T, R! B# b( C' U( r# m$ T, Z不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
  A: h5 g2 h( u4 p7 i: W2 X" _所以也就一直沒有留意有沒有人有再提出新的問題來
; k6 Z7 T* ]$ V: K8 D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
: M/ w6 F# |1 F2 s( B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


/ O8 ?% `0 N! J/ X4 b8 ?
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
% ]% x. L9 Z6 x) `+ `7 n2 }& c1 e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
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
$ P" `& {3 y" G- o- y我查了些參考書還有文件後
: H* P% \  h& [總算對負電阻有些粗淺的了解

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
' P2 `$ y0 S/ n算是可以正常起振

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
* @' a& T- j9 s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
8 {' H' [# Q9 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
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

& t: b! N( m. I3 A我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
- P; O5 C% |& J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
7 _6 {$ T: N: O) N( V& ?你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
' i- x4 A1 r7 p7 u$ F兩者會有差別

如果要用並聯的方式討論的話
$ y2 x9 m, @+ C9 O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)
- E3 d# R0 `/ w9 F應該就可以起振了
; E2 B$ B8 m4 Q/ O9 M6 t" ^. Y
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
5 _5 a* E0 |8 z" n$ p5 b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
7 \5 k( _$ A% G% I' x# l$ t
7 Q) |/ k2 M: d8 h, J一點淺見
; g- P) @  @4 e/ I3 m' X6 l% M+ E' f有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
# F9 m, c6 ?; t0 ^2 L/ z4 f1 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
, W% X" E2 r+ D# `. Q4 Y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
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
- t- s5 z, s. |7 E. p# i6 m然後負大於正就可以起振
5 ?& n2 m0 C- Y7 c
) X. G7 E2 v2 Q2 U" Q2 G9 Q, k另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
# d+ p3 \& P+ |+ U( f4 B1 n在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
/ Q* c" ^( a5 L, Q: m+ |/ u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

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