Avallone 2021 TCAS1 BB-DPLL PN Analysis 深度解析

Luca Avallone(UCD)、Mario Mercandelli、Alessio Santiccioli、Michael Peter Kennedy、Salvatore Levantino、Carlo Samori(Politecnico di Milano)在 IEEE TCAS-I 2021 上提出了 BB-DPLL 的最全面相位噪声分析模型。关键创新:(1)基于非线性映射推导的时域抖动闭式表达式(Eq.12),与仿真误差 < 1%(vs 文献 [12] 的 12.3%–50%+ 误差);(2)单时钟域时变模型(Fig.5)正确计入分频器下采样导致的频谱折叠效应(Eq.19);(3)输出/输入相位噪声 PSD 的全闭式表达式(Eq.46–47),在所有工作模式(参考主导、DCO 主导、可比)下与仿真完美匹配;(4)基于测量结果的实验验证(Fig.10)。


基本信息

属性值
标题A Comprehensive Phase Noise Analysis of Bang-Bang Digital PLLs
作者L. Avallone, M. Mercandelli, A. Santiccioli, M. P. Kennedy, S. Levantino, C. Samori
机构University College Dublin (UCD) / Politecnico di Milano
期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Regular Papers, Vol.68, No.7, July 2021
类型纯理论分析(无芯片实现,基于行为仿真 + 公开测量验证)

vs 已有来源定位

维度Zanuso 2009 [BBPD]Marucci 2014 [BB-PLL]Kuan/Liu 2016 [ALGC]Avallone 2021 [综合分析]
分析方法线性化 + 仿真线性化 + 仿真时间序列分析非线性映射 + 时变离散时间模型
BBPD 增益仅 DCO 噪声 [20] / 仅 REF 噪声 [21]迭代数值求解闭式(REF+DCO) Eq.10闭式(REF+DCO) Eq.9+12
抖动预测误差无闭式无闭式< 5%(仿真验证)< 1%(所有工作条件)
相位噪声谱无连续时间近似 [11]无全闭式时变谱 Eq.46–47
频谱折叠效应忽略忽略忽略计入(δ^[h] 序列 Eq.19)
实验验证无无有(270fs jitter)基于 [17] 测量数据验证 Fig.10

§I. 引言:现有 BB-DPLL 噪声分析的局限

核心目标

为 BB-DPLL 设计者提供精确的相位噪声谱闭式预测工具,加速设计空间探索。

现有工作的不足

工作局限
[6–9]仅估计有效 BPD 增益和输入参考抖动方差
[10]离散时间模型较准确,但 BPD 增益估计不足,仅适用于参考噪声主导情形
[11]连续时间模型 + 仅考虑 DCO 随机游走噪声
[12](最先进)同时考虑 REF + DCO 噪声,但连续时间近似导致抖动估计和相位噪声谱不准确

本文的突破

  1. 输入参考抖动:由 DPLL 非线性映射的线性时域分析推导(非 PSD 积分)
  2. 相位噪声谱:离散时间域模型,计入时间变化效应(DPLL 多速率固有属性)

§II. 线性化 BB-DPLL 模型

多速率时域模型(Fig.2)

参考域(慢时钟,fr)          DCO 域(快时钟,fv=N·fr)
┌──────────┐   上采样+ZOH   ┌──────────┐
│ PI DLF   │ ──────────→  │ DCO (KT) │ ─→ tv[h] ─→ ÷N ─→ td[k]
│ β+α/(1-z⁻¹)│              │ + Tv0[h]  │
└──────────┘              └──────────┘
     ↑                         │
     │  ε[k]=sign(Δt[k])       │ t'v[h]
     └────── [BPD] ←──────────────┘
                    ↑
                tr[k] (参考时钟)
  • 慢时钟域:同步于参考频率
  • 快时钟域:运行于 DCO 频率
  • DLF 输出:上采样 + 零阶保持(ZOH) → 慢→快时钟域转换

线性化 BPD 模型

BBPD 的 sign(·) 非线性 → 线性等效:

其中线性化增益为最小化量化误差功率的最优值:

对高斯分布求解:

量化噪声方差:


§III. 抖动分析(核心贡献 1)

时域递推方程

从 Fig.2 模型推导分频器时间戳的递推关系:

其中 为 DLF 积分路径输出。

稳态下(,忽略 影响):

其中 。

稳态方差:

闭式抖动表达式

代入 K_BPD 和 σ_q²:

其中:

最优比例增益

  • 与参考噪声无关(与 Kuan/Liu 2016 Eq.15 一致)
  • 仅取决于 DCO 周期抖动和 DCO 增益

精度验证(Table I)

Case条件Eq.(12) 误差 vs 仿真[12] 误差 vs 仿真
(a)参考噪声主导< 1%12.3%
(b)理想参考(DCO 主导)< 1%> 50%
(c)可比噪声< 1%~20%
(d)中等< 1%12.3%

Fig.4:β 参数扫描下,Eq.(12) 与仿真完美匹配,而 [12] 和连续时间近似(Appendix C)均有显著误差。


§IV. 相位噪声谱分析(核心贡献 2)

时变模型(Fig.5)

关键创新:单时钟域(DCO 域)时变模型,正确计入:

  • 分频器下采样引起的频谱折叠
  • 通过 序列(Eq.19)建模

前向路径传递函数

下采样与频谱折叠

下采样后的 z 变换:

这意味着在 Nyquist 频带内有 N 个相同副本,分别由 频移 后叠加。

关键传递函数定义

其中 (折叠算子)。

全噪声贡献 PSD

BPD 输入参考相位噪声:

DPLL 输出相位噪声:

噪声贡献分解(Fig.6)

三种工作模式的匹配验证:

Case主导噪声关键观察
(a)参考噪声主导带内 PSD = ,[12] 在带内偏差 ~2 dB
(b)DCO 噪声主导DCO 折叠副本清晰可见,[12] 严重低估
(c)可比噪声所有贡献相当,本文完美匹配仿真

假设验证

  • 白量化噪声(Fig.7):仿真量化噪声谱平坦 → Eq.(17) 合理
  • 高斯 分布(Fig.8):仿真直方图与高斯 PDF(Eq.12 方差)完美匹配

忽略频谱折叠的后果(Fig.9)

不包含频谱折叠的模型(Appendix B)在 DCO 噪声主导时导致的相位噪声谱预测严重失真。

测量验证(Fig.10)

基于 Levantino [17] 的宽带分数-N PLL(等效整数-N)三组滤波器设置:

  • MHz,
  • 提取参数: fs, fs, fs
  • 三组 设置下,Eq.(47) 预测与测量完美吻合

关键结论与公式汇总

设计流程意义

  1. 给定系统参数()和噪声参数()
  2. 用 Eq.(12)–(13) 计算
  3. 用 Eq.(9) 计算
  4. 用 Eq.(11) 计算 →
  5. 用 Eq.(46)–(47) 预测完整输入/输出相位噪声谱
  6. 快速参数扫描找到最优设计点

与 [12] 的根本性差异

方面[12](连续时间)本文(离散时变)
推导PSD 积分 → 误差大非线性映射时域分析 → 误差 < 1%
DCO 噪声贡献因子Eq.(57) 缺因子 2Eq.(12) 精确
量化噪声贡献低估Eq.(11) 精确
频谱折叠忽略δ^[h] 序列精确建模
传递函数连续时间 s 域离散时间 z 域 + 折叠算子

双向链接

概念页:

实体页:

演进关系: