数字 CMOS PLL 架构与 TDC-DCO 设计

数字 PLL(DPLL)用 TDC 替代模拟 PFD/CP,用数字环路滤波器替代模拟 RC 滤波器,用 DCO 替代 VCO。DPLL 受益于 CMOS 工艺缩放(数字电路面积/功耗持续改善),是现代 SoC 中频率合成的主流方案。基于 Razavi Design of CMOS Phase-Locked Loops Ch.10 提炼。


前后关系

前置知识:

外部关联:


原理介绍

1. DPLL 基本架构

f_ref ──→ [TDC] ──→ [数字LF] ──→ [DCO] ──→ f_out
              ↑                          |
              └──────────[÷N]────────────┘

模拟 PLL → 数字 PLL 的对应关系:

模拟 PLL 模块数字 PLL 对应功能
PFD + CPTDC相位误差 → 数字码
模拟 LF ()数字 LF(积分器+比例器)环路滤波
VCODCO数字控制字 → 频率

DPLL 的优势:

  1. 受益于工艺缩放(数字电路面积和功耗持续改善)
  2. 可编程性强(环路参数通过软件配置)
  3. 无模拟器件老化/温度漂移问题
  4. 易于与数字 SoC 集成

2. TDC 基础(Time-to-Digital Converter)

基本 TDC(Flash/延迟链型)

REF ──→ [D_1] ──→ [D_2] ──→ ... ──→ [D_M] ──→ 温度计码
         ↑        ↑                  ↑
VCO ────→ CLK ───→ CLK ────────────→ CLK
  • 延迟链由 个反相器/缓冲器组成,每个延迟
  • VCO 边沿采样延迟链各节点 → 输出温度计码
  • 分辨率:(单个门延迟)
  • 动态范围:

TDC 量化噪声

TDC 的量化误差在 内均匀分布:

等效相位噪声(归一化到参考周期):

  • 降低量化噪声的途径:减小 (更细分辨率)或增大

改进型 TDC 架构

TDC 类型分辨率动态范围复杂度
Flash(延迟链)
插值型
Vernier$\tau_1 - \tau_2$
多路径/嵌套
带 整形带内 中等

Vernier TDC:使用两条延迟链,延迟分别为 和 ():


3. DCO 架构(Digitally-Controlled Oscillator)

离散频率问题

DCO 的频率由数字控制字 选择,频率不是连续的:

  • :最小频率步长
  • 频率分辨率必须足够细,使量化噪声可接受

DCO 量化噪声

频率量化误差等效为相位噪声:

  • DCO 量化噪声被 PLL 高通整形(与 VCO 噪声类似)
  • 设计约束:

DCO 实现——DAC 原理

DCO 本质上是一个数字控制的振荡器,频率由电容/电流矩阵控制:

电容矩阵 DCO(LC 振荡器):

  • 粗调(Coarse):大电容阵列, → 大
  • 中调(Medium):中等电容阵列
  • 细调(Fine):小电容阵列, → 小

电流矩阵 DCO(环形振荡器):

  • 控制充放电电流的单元数量

DCO 的增益线性度

理想 DCO: 恒定

实际 DCO:

  • 电容矩阵的 - 非线性 → 随控制字变化
  • 频率范围边缘 偏离标称值
  • 影响:环路增益变化 → 带宽/稳定性变化
  • 缓解:数字预失真校准

4. 数字环路滤波器(DLF)

基本结构

相位误差 e[n] ──→ [K_P] ──────────────────→ (+) ──→ DCO 控制字
                │                            ↑
                └──→ [K_I / (1-z^{-1})] ────┘

比例-积分(PI)数字滤波器:

  • :比例增益(对应模拟 LF 的 )
  • :积分增益(对应模拟 LF 的 )

与模拟 LF 的参数对应

模拟参数数字参数关系
(零点电阻)
(零点电容)
(积分电容)由 TDC 增益和 DCO 增益决定

环路参数设计

DPLL 的环路带宽和阻尼因子:

其中 为 TDC 增益(码/rad), 为 DCO 增益(Hz/码)。


5. DPLL 的量化噪声与动态范围

总输出相位噪声

噪声源传递函数备注
参考噪声 低通与模拟 PLL 相同
DCO 相位噪声 高通与 VCO 噪声类似
TDC 量化噪声 低通DPLL 独有
DCO 量化噪声 高通DPLL 独有

动态范围约束

TDC 动态范围必须覆盖最大相位误差:

其中 为 DCO 频率与参考频率的最大偏差。


6. DPLL vs 模拟 PLL 对比

维度模拟 CP-PLL数字 DPLL
鉴相PFD + CP(模拟电流)TDC(数字码)
滤波RC 无源/有源数字寄存器
振荡器VCO(连续调谐)DCO(离散调谐)
面积受电容限制随工艺缩放
噪声CP 闪烁噪声主导TDC 量化噪声主导
可编程性有限(更换 R/C)高(软件配置)
工艺缩放不利(电压裕度↓)有利(门延迟↓/面积↓)

参考文献

  1. Razavi, B. (2020). Design of CMOS Phase-Locked Loops, Ch.10. Cambridge University Press.
  2. Staszewski, R. B., et al. (2005). “All-Digital PLL and Transmitter for Mobile Phones.” IEEE JSSC, 40(12), 2469-2482. [ADPLL 经典实现]
  3. Gardner, F. M. (2005). Phaselock Techniques (3rd ed.), Ch.4. John Wiley & Sons. [DPLL z 域分析]

Hybrid PLL 补充(2013–2025 论文实践)

差异定位:Razavi Ch.10 系统化教科书 DPLL(TDC+DCO+数字 LF),但工业界 hybrid PLL 用模拟 P-path 消除 TDC/BBPD 量化噪声,是先进节点下高性能 PLL 的主流实践。

  • Hybrid PLL 核心:模拟 P-path(线性 PD → 无量化)+ 数字 I-path(BBPD → 无大电容)
  • I-path 变体:BBPD + 数字积分(Ferriss 2014)、GRO-TDC(Kim 2019)、CCRO 积分器(Zhu 2017)、CS 积分器(Song 2025)
  • P-path 变体:Switched resistor(Ferriss 2014)、FF-PD + passive LPF(Xu 2021)、SPD(Liu 2025)
  • 关键技术:Sub-sampling PLL(Sharkia 2018)、OPDTPNC(Yang 2020)、CP-less bias-current-free(Xu 2021)、LC DTC(Liu 2025)

→ 详见 Hybrid PLL架构与技术


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