crystal oscillator不起振~

camilla

各位前輩~
/ I. X- D$ Q9 o2 ~
我現在正在研究crystal osc.我有在論壇裡看到這方面的討論...
http://www.chip123.com.tw/phpBB/ ... 8412&sid=g0bJll

& E! Q4 ?: F* }! [其中finster版主建議說加入這個模擬條件  VDD VDD 0 PWL(0 0, 500US 3.3V)

但很奇怪的是,我加入這個條件後竟然不能振了,但若是VDD VDD 0 3.3V卻可以振,

是什原因呢?

% ]; F' |. b: D8 H: |另外finster版主題到的low current crystal oscillator...請問有bias voltage control相關的資料可以參考嗎?
: p2 {/ D! q- V8 b. r(因我加完i/o pad後的電流竟然幾mA阿~)

請各位前輩知道的話能給一些意見嗎?謝謝
( m7 H2 o, l- o1 [
對了...我crystal osc frequency = 13MHz , vdd=3.3v

hongx

此篇看下來真的學習到很多知識!

( Z$ |: @* ?; C5 @& t往後遇到一樣問題可以從中學習!

camilla

謝謝finster版主~

2 L$ v* q" e+ h8 P; E; Y2 M# s/ ]超級謝謝finster版主這一連串不耐其煩的指導,讓我對crystal有更深入的了解了~超級感謝~

finster

關於spectre與hspice兩者之間的差異
: X7 `2 ~  x  F5 E這個問題我以前也遇過,只不過,這是一個沒有正確答案的問題
據我所知最早類比電路模擬軟體是hspice(我不確定以前是否還有其他版本),而這套hspice模擬軟體對類比電路模擬來說可以稱的上是聖經,其他研發出來可以作為類比電路模擬軟體都是拿hspice來比較,其他模擬軟體愈接近hspice所模擬出來的結果愈所能夠得類比工程師的可信度,只不過,hspice也有bug,也有它不足之處,而這些bug在某些想取代hspice軟體而言也許會有比較優勢之處

故而,回到你的問題,hspice和spectre兩者跑出來的結果要相信誰,基本上是要相信hspice跑出來的結果,只是,不知道你會不會誤觸hspice的bug,而這個bug恰巧是spectre所能夠避掉的問題
以前我這兩套軟體都有跑過,95%以上都是相同的模擬結果,只有極少部份才會有不同的地方,而且只有在某些很特別的情況與應用電路才會有不同的結果出現,所以,建議你先相信hspice的結果,然後再推導看看是否合理,若不合理,則再回過頭來看看spectre的結果
6 v4 J0 c% R6 h3 T. ^
* S# B; f* |2 \7 u( w, e  o: Q至於startup time的問題
加快它的速度是我個人從PLL的應用電路中的經驗,然後應用在crystal oscillator,因為crystal oscillator要從0V一直起振盪到欲定的電壓準位需要一段很長的時間,如果可以應用initial circuit便可大幅縮短此一時間,因為我在PLL上曾下過不少苦心,也作過不少,所以很容易就把PLL的initial circuit應用到crystal oscillator,所以我才會說加入initial circuit可以改進startup time的問題

camilla

謝謝finster版主~

我對startup time了解了~

: ^! U$ k# g) q+ k我昨天試過用spectre跑了一次crystal osc...
# Y1 v9 |8 O$ M2 |" |
不過竟然和hspice跑的結果不一樣,同一個netlist 13MHz跑出來的消耗電流和起振時間是不相同的,
  f2 `4 ^8 Y0 J# ?( Z& i
1 i& w& x6 o5 |消耗電流小很多,而電源電壓給0到vdd,但輸出竟從0v就開始振了,所以startup time也跟著減少很多...
; W7 t8 i4 w& d/ J/ M1 K9 ~. q
一模一樣的netlist為什會跑出不一樣的結果呢?

另一個問題是,你所講的加快startup time可以加一個initial circuit,有範例可以參考嗎?因為我的startup time實在太慢了...

(一直被學長嫌)
6 `4 M& ]3 y3 H1 u. I) Y
1 Q) g( O) Y" Z0 F5 l. D1 R8 _( Y
; G1 v  S! }, K& ~p.s 很感謝finster版主不耐其煩的一直指導我,不過因為我實在有太多問題了,希望finster版主和前輩們能繼續給我指導~謝謝~

finster

以目前我所知道的startup time的定義來說
它是指crystal oscillator從一開始沒有任何振盪到完成振盪且穩定的持續振盪時間稱之為startup time
- Q! ?9 i! A7 C* v
( j! B% y. U7 w; s# G' \* R# M) q+ y因為我們在模擬crystal oscillator時都是以vdd從0V昇到一個穩定值作為crystal oscillator作為一個初始值,所以有些人就會把從vdd的0V到crystal oscillator起振且穩定持續振盪時間稱之為startup time,而這種說法其實並不是非常正確的定義
! [$ M8 Z' V, C6 ?" e
$ ]- B, d; A. x不過,目前在startup time並沒有一個很統一的定義,而我所知道的那個定義也是從IEEE Journal paper上定義所知道的,而那份文章是很早期的paper,內容寫了一堆理論和公式
2 w7 a  u9 N9 N$ l5 h2 r3 j
; D, ]# l2 I+ q4 k2 q2 A最後,crystal oscillator要作到4MHz ~ 25MHz並不是不可能,只是較為複雜,以前我也作過,後來我也只是覺得沒有必要弄到那麼複雜且麻煩

camilla

不好意思~finster版主~
7 A; h9 z& @6 d8 b
能再請問一個問題嗎?
- Q0 @0 f( Q7 A" H8 x
startup time的定義是指什麼呢?
/ O& v$ |& j# e; w" L
有些paper是指vdd從0v開始上升到穩定後,輸出也開始起振的這段時間(但不是輸出振幅到達穩定了),就稱作startup time

有些是指輸出振幅到達穩定(某一個值)的這段時間,就稱作startup time
( f' I5 q$ X! P- o' I
又有些是指輸出duty cycle穩定後(都相同後)的這段時間,就稱作startup time

. A6 ^+ w2 `8 i( X那到底startup time是指哪段時間呢?

% t9 I: _: p& N& S$ k) C請finster版主,或知道的前輩能指教一下~非常謝謝~

camilla

謝謝FINSTER版主~

我知道了,謝謝你的耐心指導~讓小妹收穫良多~
! h+ l- H+ w. f" B: l! L& B% C
, I* _0 |) \1 K9 U) h! ?我之所以想要做個可以涵蓋4MHz~25MHz電路,是因為我教授當初是要我做個crystal osc,freq是由4MHz~25MHz,

- {9 I- ?: W( f/ i$ _且有人作過,但我試了很久還是沒辦法,為了讓更高頻可以振,而加大driver,但卻使得頻率較低的startup time變大甚至不振,

試了很久,我會再問我教授他真正的用意,是不是我想錯他的想法了~
1 O  @! \8 R( G
0 O$ H/ a  ^" C; \2 t  Z至少目前我對crystal是瞭解了~

' ^9 h! e; A2 m, _1 X* ?+ m; Y超感謝finster版主的指導~謝謝~

finster

原帖由 camilla 於 2008-12-22 09:21 AM 發表
謝謝finster版主~
; h7 U2 h( A7 e
應該是我電腦問題~可以看到你的回覆了~謝謝~

我了解我問題的原因了,不過我對startup time總是不了解,

' w2 m) Y2 ]9 \" I4 H我是想有無辦法不另外加initial circuit來加快startup time嗎?

我是想說可以改變現 ...

: o5 p$ z, y+ s9 T
9 }7 \5 E# a1 ^: j9 h" u
9 ]3 Q( y% y# s$ \7 v
先回答startup time的問題
在不增加initial circuit的前提下想加快startup time並不是不可能,只不過要先理解crystal oscillator的理論,而這方面討論的paper只有早期的IEEE才有,比較偏理論,你可以研究一下
3 \6 }# z8 Q, R! I4 x至於你想改變外部r,c來加快startup time,這種方法的效果有限
+ x% g, H) Z/ G因為只要改變了外部的R,C值就會間接影響crystal oscillator本身的穩定度等issue,有時也可能會造成不起振的情況,所以若要改變外部R,C值,個人是不太建議你朝這方面去作

% a: [+ e5 P, f7 f$ s, J- z每一個範圍的crystal oscillator都有一定的design需求,目前很少有一個電路能夠涵蓋4~25MHz的range的crystal oscillator
目前大部份都是針對某些特定的crystal oscillator的頻率作設計
; H% }$ A2 B. v9 h" m6 c' q8 c而且愈高頻,其crystal oscillator的考量也愈多

andy2000a

有 disable 能力  的 gain
要高點
: D( M1 h) S4 D+ N) c* @* F3 o0 J
' G6 `+ _, [& R- yhspice  sim 會動
, T) |  [  E" N2 B) y2 R
real chip  可能不一定會動  
: i3 a: B6 o6 J# }& u( J( s
2 H! |4 y/ m6 j4 s0 x而且 不是 所有的 fail  是部份
那就是 gain 太低

camilla

謝謝finster版主~
5 p" M8 G& a! Q9 R9 Z# r# g
應該是我電腦問題~可以看到你的回覆了~謝謝~
( i/ m& R; E- W0 c* c' Z1 _) s
我了解我問題的原因了,不過我對startup time總是不了解,
+ U( B. {: y8 |$ j- l
我是想有無辦法不另外加initial circuit來加快startup time嗎?

我是想說可以改變現有的元件參數來加快startup time嗎?
+ Z9 n, }  h$ c, u
例如改變crystal model的負載電容等校的那兩顆電容(C1,C2)或R1

因為我一開始是針對13MHz來作這個crystal osc,
+ V3 e! n0 J$ P0 U
所已在改變crystal model後(改成20MHz,25MHz),原本想要的結果就會改變,

0 S0 `9 C" G3 O是不是這個架構在13MHz時是最好的,但在改變crystal model後所有特性又會改變?
1 \) x4 s0 M; z
! Z7 B; S$ d& A! R+ A有辦法說可以設計出適用於4~25MHz的電路,但startup time, 耗電又都能符合我的要求嗎?

(我目前13MHz這個crystal 架構若套上20MHz以上的model後,startup time,耗電都會明顯增加改變)
' z6 ^0 q# N/ B
不好意思~問了一大堆問題~再次麻煩finster版主了~謝謝~

camilla

finster版主~
. l8 v/ {% O  Q8 j
5 n. J  D+ k2 g2 H  m6 E( d$ E我看不到你的回覆呢?好奇怪~可以麻煩你在發一次給我好嗎?非常感激~

finster

關於crystal oscillator耗電的問題,這個其實並沒有一定的標準
5 Z( M, S6 r. s1 ?6 F1 @因為crystal oscillator本身其實是蠻耗電的,除非你是設計32.768KHz的crystal oscillator這種才會設計成很省電,不然若是5MHz以上的crystal oscillator電路,它本身的耗電程度都在mA等級以上,這個原因是因為頻率愈快,它所需要的rise time/fall time要愈快,所以放大器或者反相器的耗電就要愈大

若想加快start-up time
最簡單的方法則是加initial circuit,讓crystal oscillator在一開始便設定它可以振盪的電壓準位,提早讓crystal oscillator反應出相對的phase差的振盪
( j* V0 v! Q1 {, P
1 b* ?( ~5 l+ {6 d$ N至於第3個waveform情況,你可以把輸入信號秀出來,你就可以知道為什麼了,這是因為crystal oscillator尚未達到穩定的振盪波形,所以輸入的waveform振幅會有點忽高忽低的,以致於schmitter trigger的輸入會接收到變化的電壓,故而輸出也會不穩定,這是合理且正常的情況

camilla

超級謝謝finster版主的解答~
" B8 _3 @4 q0 P1 F7 V9 U
最近全實驗室都在忙年底要結案的計畫,直到這一兩天才有時間繼續自己的事~很對不起~

我加大driver後是沒問題了,不過我有幾點疑問想在請問finster版主,請finster版主能再多多指教~

第一~ 通常crystal的消耗電流會有多大呢?(雖然不需要設計到很小的消耗電流,但我又怕自己做的crystal會很耗電)

第二~ 我想讓設計的crystal的startup time能快一點,可以如何設計呢?(我希望能快到20~40us左右)

第三~ 我在schmitt的輸出會有這種情況,不知道是為什?(這是一開始時的輸出,等到它穩定後就不會再出現)

麻煩finster版主在指教,非常謝謝~

caesarxl

留名关注，日后学习
' Y& K8 e: B1 A; u2 P7 ~谢谢分享。。。。。。。。
8 F# i7 b7 K6 n) ?0 @1 T* D& e。。。。。。。。。。。。

finster

從你的描述來看,應該是振盪器的driving能力太弱,以致於在加上一個schmitter trigger後才把輸出波形給變小
關於這個現象,你可以從你的模擬中重現這個現象
你在模擬時,先不加schmitter trigger,然後在振盪器的輸出端加一個小小的電容到地,我想,你應該就會看到你的振盪器的輸出波形會整個變小
而這點,主因乃在於你的振盪器輸出的推力太小,以致於一點點電容loading就會把輸出波形的振幅給變小
而要改進這個問題,只能把振盪器的driving能力加大
) x8 x$ n( p5 _  E
至於你問到為何只有在25MHz以上才有問題
3 j( }# c7 i9 |. S+ U% j這點,其實也跟你的振盪器的driving能力有關
因為在crystal oscillator中,振盪頻率愈高,所需的電流與driving能力也要愈大
# s$ C, K* ~+ [/ C1 \而你設計用來振盪20MHz的振盪器來推25MHz以上的crystal oscillator,當然振幅會明顯被壓小,甚至有可能不起振
+ i8 e6 p2 ^; N7 j9 G3 {6 a
. c& a% a3 }$ a至於schmitter trigger的優缺點
其實,就如你所言,它的最大優點乃在於它有window特性,故而對於noise有較佳的抗雜訊能力,也因為這個理由,所以才會使用schmitter trigger
) a! ]- m/ @! O' w# V基本上,如果只是學術,用nand其實就可以了,若是業界,我個人都比較建議用schmitter trigger會比較保險

camilla

~又被沉到下面了~請各位前輩幫我看看吧~謝謝~

camilla

真是太感謝finster版主無私的教導了~

我原本振盪波形振幅是0.3v~3.2v...

% F1 Y, h( F  K' [0 F1 v  X' X但接上schmitt後竟只剩下1.45v~1.58v而已...
7 e5 g, e5 w& t$ b/ z
) Z1 u' o1 E! t. W  _* Z+ z) _而我的schmitt vl=1.4v,vh=1.6v...(我也有試著把schmitt的觸發電壓改為1.4v~1.5v,但還一樣,很奇怪??)
& U6 w' S. `! H, K+ V; Z
但為什我同樣電路但crystal model由25MHz改為20MHz卻沒問題,只有在25MHz以上才會有問題呢?
- k# v+ w4 x) @. L$ C
4 W1 H% B6 r8 ]" H5 C- |% e/ g(其它頻率範圍下振盪波形依舊會在接上schmitt時而變小,但就只有在25MHz以上才不會振~)

" I9 i9 t1 S  E1 A5 M7 A這個問題困擾我好久了,我有想說就直接把schmitt改成一個nand+inv一樣可以達到我要的在disable時輸出為0...
' e! B7 d6 t$ r" m: b
但我不清楚說schmitt的優點在哪裡,除了能抑制noise,減少消耗電流外...

& V  `0 d# Y4 Y& y" [! Q5 {若用nand+inv除了可能會有glitch外有會有什不好的缺點呢?(和schmitt相比)

我想說若可以的話就使用nand+inv一樣也可以達到我的需求,消耗電流大概在1mA左右~

再次~再次~在麻煩FINSTER版主了~非常感激~謝謝~
! W. H$ A2 @0 w+ s' b
p.s 圖為我使用的schmitt~

finster

你的振盪器的原本振盪波形的振幅有多大呢?接上schmitter trigger後振盪波形變小多少呢?
另外,你schmitter trigger的vih and vil又各為多少呢?

( d+ @- @% u3 ^) G$ C' g因為我不知道你這些條件,所以無法回答你的問題
% m2 J" H( O& `1 n
至於你問到要降低消耗電流,這個問題需從你的振盪器著手,因為你的振盪波形並不是0 ~ vdd,所以接在振盪器輸出級不管是反相器或者schmitter trigger都會很耗電流,解決之道惟有改進振盪器的輸出波形
; s/ R+ P+ i) }; `; u6 i' y) M
[ 本帖最後由 finster 於 2008-12-1 11:33 PM 編輯 ]

camilla

不好意思~finster版主~

我的文章沉到太下面了,我以為沒人回所以就試著自己找解決方法~今天才看到~很感謝你的回答~

  O, o, f* _5 Z  {$ Q: v我的震盪波形在接上schmitt後變小了,是什原因呢?
% Q! u7 b: I* r+ p! q0 T# g
我目前有試著利用一個nand+inv來取代schmitt(因為我在schmitt的輸出在disable時希望是0v)
" U/ A; F4 o$ b5 o1 d* r+ k/ R& g5 |6 X
是沒問題的(在disable時的電流有2mA左右)...但我又怕說會有glitch的問題,所以才想說利用schmitt來產生一個high,low的輸出...
3 }2 p7 d+ z5 k7 U* p0 ]
若使用schmitt又會只在25MHz以上的頻率才會有這個問題,所以我不知道要如何解決這個問題...
. n  G, H1 t% Z& d
但在振盪輸出和schmitt之間加了反相器卻增加了電流的消耗,有什可以解決得嗎?是我設計的schmitt有問題嗎?(但怎會在25MHz以上才有這個問題存在)

可以麻煩finster版主在給我一些建議嗎?非常感激~