CMOS晶體震盪器模擬

wwm101

to:monkeybad
7 Z% N6 \6 D* E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!

+ F1 w" e. c" _  w( q电感初始的电流设置如下所示:
L_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA

. _* h! W! C4 d' F& W4 E/ x注意给电感设置初始值要不能太小!
7 ^, N* c7 g7 r) F$ xhttp://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
% ^/ |4 |/ A( `1 N0 w& @% C.PROT
- @! O  F; `1 w8 X.inc 'd:\hs\lib\level3'
.UNPROT
C_C4         IN VOUT  1.72169576e-012  
% S& [$ }. t  r  e8 BM_M1         VOUT IN 0 0 n
+ L=16u  
; Q; }. j- q. u+ W=0.8u         
+ M=10
# l3 C6 m" }! P8 d* CM_M2         VOUT IN vdd vdd p
9 g0 n  G* |0 ?+ O  N  z# Y+ L=16u  
+ W=0.8u         
+ M=22
0 {) |# M0 r1 d, G; w9 G# \R_R3         IN N11450  18.5k  
9 g5 j- Y0 A' z  R5 ~V_V1         vdd 0 pwl(0 0,10us 3Vdc,20u 0,30us 3vdc)
2 w8 q( z- w) ^/ MC_C1         IN 0  5p  
C_C2         0 VOUT  5p  
2 [! i- j; @' A+ c$ G4 ZL_L1         N11450 N03952  588.873289 IC=1uA
6 {5 R$ \. @4 _9 a8 y$ E3 xR_Rf         IN VOUT  50meg  
C_C3         N03952 VOUT  4.30423941e-015  
+ r( n# F! o$ s7 R7 N. E* u7 B.tran 1ns 20ms
.probe tran  v(in) v(vout)
" P4 @1 m6 t. T+ b# i& I.end

monkeybad

感謝wwm101提供這麼詳細的模擬資料
* }5 ~% c' v4 ]# }$ Z: Z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
0 A+ t7 F6 p3 v& J& L
看了討論區的文章
同意裡面的講法
% D* ^% i' c; i0 F  |# \0 ~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
HSPICE 跑不起來才換 ADiT, 是還沒有遇到說 real chip 不會動的情況...

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)
$ F9 Y% U, c' Q; u: L4 O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...

! K  Q3 ]3 l! r- \/ ]  w0 U/ j5 F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
* n% c. H" B8 \7 @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..

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...)
( `' N2 Z2 n8 A, X" e* I5 a' `, R" q
[ 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.
; Y  t1 I4 F0 h6 G9 E' \: P2 a+ v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.
8 m* h. q9 ^5 Y6 t' d小弟使用Spectre RF 模擬, option中, Integration method parameters設為"gear2only",
" h3 w8 F: f6 O; V2 U在pss 模擬時, Crystal oscillator 無法振盪, 但是transient 卻是可以振盪的.
3 u) h: I, w3 q& a. S: u想請教各位前輩, 不知是否有人模擬過Crystal oscillator的phase noise??
1 `3 @8 W2 n; \9 l# x3 y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
! D$ J1 U) M6 v3 J' 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
7 s3 e: \2 F# j2 D  r( {* @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
: A  j% Q+ A, N結 ...

" Z: k5 c% g6 o5 G9 ]7 l小弟最近也在研究crystal oscillator circuit, 這個討論串讓我穫益良多
$ O  i) w& z/ N7 o' K* e% Q1 R  ]! Emonkeybad 大的這份附件, 剛好讓我想到一個問題
# W+ H8 u+ t% s: T2 a* m- X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....
& K: I/ d( h8 K4 k+ D* rXtalin > Xtalout還可以理解, 畢竟兩端的loading不同
' y1 G% I6 L- }" ~8 ?8 j4 e: P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?
1 j* J3 j  E  y  T% u4 z. [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?
- F0 s! y3 U0 B' H3 E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
3 {' n  j1 }3 F- s; r/ c0 H1 Z+ A# j
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

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
% B% B  A; l: G; y6 S7 v  R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
5 W4 l( V1 [6 }/ @* x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
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)
' s( @" m( Z( N1 J我當下是覺得探針類似有電容的效果
3 z  c1 A0 k* c# C" P5 m& S0 c  k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
. B  I0 d) D9 u1 {還以為是noise的影響
  B* X7 X) _+ v; Y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
2 z" S1 i4 H; G* K2 Y感謝finster分享
, ]( ^4 u4 i  z5 h& H+ t小弟我目前遇到一個跟你的第五點問題滿類似的
1 w2 A, M1 h& r- W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 ...

$ `. r1 F& Z# O( ]# R8 O# g& Q

1 v: p6 K. P1 `' T" c  P- ^8 f不好意思,因為這一個主題己經有太多人回覆了
% R; A1 |5 }1 w" M* K4 A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
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
) J2 {5 G7 j+ ~. H


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 Crys ...

6 Y, ~5 R6 x+ R& x. `* l3 d& j
/ @4 y, u+ L3 U- T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
, |! r) Z0 O+ z# c- m* h; {7 ^9 t或是哪本教科書有提到的
我初踏入這個領域什麼都不懂
3 k9 L/ H, W  o3 e' [2 P謝謝大家了

ilovehorn

很抱歉之前問了個小白問題
$ i' i3 c% l% [我查了些參考書還有文件後
4 M4 p# n6 d* q' m) `2 U; M總算對負電阻有些粗淺的了解
! E) _, s/ q0 g* K
0 v4 |  S2 s$ ?5 O" ]! X* U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
. U: K' w% P) e6 b1 C算是可以正常起振

我的經驗是
- a0 x) z* l& E4 t  \. X! R. f# y7 ]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
但是到最後的驗證的話  還是要用HSPICE跑一下比較妥當
8 @, Z- F2 e8 F& y# f! [以上

ilovehorn

給monkeybad
2 r) Y* M; _/ K7 M9 m
& {: p( F+ C# q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
5 Z$ ?4 c/ h, P+ d1 b你模擬的是並聯的負電阻值  而Philip的是串聯的
  H- W8 f% M% }+ X, `兩者會有差別

( ?& S" r' }8 J3 m如果要用並聯的方式討論的話
- p# P0 M- ^* e( E" k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)
9 I7 v2 C, A. {; h* e) X  c應該就可以起振了
6 ~, F! v5 s) s4 A/ ~
5 T( T  H; x7 c另外有個問題
; l0 \: F6 [. l6 U2 F5 z4 M' @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
7 O, `( {) Z7 ^5 h7 a7 g/ ?$ `, M震盪頻率應該就是Inverter Delay的倒數  大概都是G的等級
7 v/ v; b7 ?3 W5 N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

% N1 n2 \/ r3 }1 H一點淺見
: i" N& e5 ~0 H9 w* P+ G) d有錯請不吝指教

ilovehorn

抱歉 我又來囉唆了
& f# ?( j  ]3 j# h1 y) Q3 s我剛剛模擬了一下 monkeybad大大模擬負電阻的方式確實可以用
3 V% t; d1 f& F( S; S只是模擬出來的值  跟參考文件上的不一樣
- `1 W/ \% C" q1 @- g& H5 e它其實是Crystal往外看的等效電阻值
1 A. ^- ^8 k4 ^1 R. [6 [% B, X所以如果要用Philip文件上的方式判斷的話
( ]$ _2 s: l  }* {8 G- i; }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
# G( R2 ]( \4 R7 J2 g* g# Q然後負大於正就可以起振
. J3 c5 M$ ]4 S5 ^  d+ t  l
1 w" T# I$ V4 C- f6 _另外  我想請問一下monkeybad還有skyboy大大
9 }# M: Z8 c- F+ Z# e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!!
3 k% S0 {5 `* Q5 p   受益良多...

csleea

真是很棒的分享

Thanks for your input!

nowich

谢谢f分享经验
) d! g- o0 [: ~* p2 O) u+ a4 Jcrystal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