CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
0 ?% R! r+ o5 {1 f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!
5 a8 l$ O& B) X) r; `: y
电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
7 [2 l. K0 ^6 j" r6 Y* u1 r
; q1 d$ P0 F0 ?9 ?# s: G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)
------------------------
* source 100K
& H5 E, \5 t' Q# Q- |8 e.PROT
6 l6 t1 I1 P  x1 m.inc 'd:\hs\lib\level3'
0 [7 e( p7 X% Z* n6 ?.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
M_M1         VOUT IN 0 0 n
, a7 [% I0 }; L! y, T+ L=16u  
& P. J+ D4 Z: F% h/ ]. ^6 H+ W=0.8u         
4 C* f' Y' H' I9 }6 V( A6 l( Y) E+ M=10
M_M2         VOUT IN vdd vdd p
1 @5 _4 `- T" W+ L! r+ L=16u  
5 L( d; m4 ?: M  G$ L! W+ W=0.8u         
, \2 ~9 w, n: p) U0 o+ M=22
( {# u' k+ p8 c4 M5 _R_R3         IN N11450  18.5k  
V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
; n0 G1 @7 |% g$ ^5 ^8 ^" `0 A$ ZC_C1         IN 0  5p  
. e3 Z) D, X0 l) k) t4 E( aC_C2         0 VOUT  5p  
) J( R/ G+ E: C  l+ ~L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
+ u5 r' g; D+ ^* V) r/ B3 r) N8 G) FR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
.tran 1ns 20ms
+ ], y' K7 T+ d0 E. ]1 E.probe tran  v(in) v(vout)
" F' ^! j( b  e) s, d6 _/ g.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
6 b1 `; J1 G, m$ R! L7 @- t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
. W7 Q% p% P$ {, t, U2 K! y
看了討論區的文章
同意裡面的講法
( ~: K) p& D, }: y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
$ Z) I( ~7 T8 q8 Q+ h( OHSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

' z+ C# |  \, k# g1 R* f, v1 x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)
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
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
/ M; Y4 E( T. D8 [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)
, e3 J) y# R+ A$ R- D9 B! J! m/ c2 v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....>_<
- H- `% A' \9 w( S. C, ~- g7 }5 u(當然比起前面 finster 大說的 32KHz 跑一個禮拜是好多了...)

! \0 w/ P- Y& r+ ^0 r- {[ 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.
9 A  D- K2 c! {8 w, E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??
7 z( ?* x" F: [  K( v1 g/ @( k謝謝!!

pk168tw

感謝各位前輩提供的資訊．
$ m3 x4 b' [, g1 j* n5 @; o6 T; V對於電感的初始值要如何設定才會符合真實狀況．
# e' C6 v; U% N' E$ pIC=1ua，一開始模擬就振的很漂亮．
0 u" r3 y  i  Y- qIC=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
9 ^+ c7 H7 D- ]; @昨天晚上試了一下以前在網路上找到的一個方法
0 V/ w) y) P) ^/ `( \: B2 r1 z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
  ^) @# y$ ?/ m# V結 ...

. n  z. f- N0 C  T
小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
) W: h; r3 J% O3 `" F6 mmonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
3 e2 p4 J) A( {8 p- P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
1 _/ d) W' V9 F+ ?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' ]0 S/ i6 QXtalin > 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?
/ _/ V& t0 ?$ {! `% K+ p0 D3 Q. Z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?
* E2 J0 V/ ]! g6 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
2 S7 \8 [9 _+ {6 f* Q3 W) Q3 Q6 n不過通常都伴有 消耗電流 過大的問題

5 t/ I3 ]& i' b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

* \2 b" {2 g9 t, J1 X7 t; D  n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
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
8 m! L' y' n9 d8 o* I9 lic 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
1 N* k! S& H7 }8 I' `( v所以我就去量測內部頻率輸出32.768k的那一點訊號
- {' d3 y! B/ I) ?% Q9 M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)
0 e! c/ E% z- }/ O( N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
還以為是noise的影響
$ I! U. W9 K& |" M  A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
' y# ~5 [( T+ g6 n( q9 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
' g  ~9 R4 ^) i2 `  c3 w$ ~6 Pic 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 X& I( J  A% O2 |) ?
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 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
1 H/ C, `. u: l! e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
# }2 x- p4 e" J: l3 `/ P0 Z6 s


' f2 f5 B3 g: J# {& O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
" Q/ u0 A* \4 m: ?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 ...

/ p* P1 Y# W  B4 W6 J9 U4 e; i
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
% ?3 B$ b# {7 k% t有沒有參考資料可以閱讀的
. b, p2 F! {6 f% H$ v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
2 J& p  n# [: b1 z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
  K3 h* l9 f; y
最近老闆要我改良之前12MHZ的Oscillator
3 Q5 [8 c6 \2 a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

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
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
9 P* |& L- P( |! P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

2 h( [; g, y3 @我覺得這樣模擬負電阻的方式有一點點問題
/ a) S( n1 R' J4 y& ~% F. X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
- |$ c6 S6 b0 B/ M, y4 f你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
8 G5 j+ \- G7 F, |" g4 ?, O  |* h% C兩者會有差別
7 V2 u9 y0 E% P% Z
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
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
& ^) K! g9 \8 ]' e# S( z
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
2 V; [) W- z4 u# f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
8 u& E5 o$ p1 W$ b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
: a: f; s' Z2 ?  r7 q只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
% _% U: H  D- ]5 k) r它其實是Crystal往外看的等效電阻值
- c" E, Y) Q4 P; P! m- O( T  n, F所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
6 K* \, l+ q# S) N9 q還要把這個電阻值做修正 也就是跟Rp的方法一樣
5 H* |0 v5 F: V7 M" Q$ x這樣才可以把並聯的負電阻值換成串聯形式
) A' P* A+ p+ a* C7 o" n: O然後負大於正就可以起振

& k. ?$ E( w' X另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
; Z+ d2 A* w( u# M7 l) Z, ?在做負電組模擬時 要怎麼設定aa和bb的直流偏壓值
# }1 G- q  F, N/ h3 F+ {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
# {0 q  ]% f7 F2 g7 U不知道這樣合不合理
% t5 ?- {4 f$ s6 N7 i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
( o: d% y8 n; m2 S+ ]  m# y- ^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