Hwang KAIST 2022 JSSC PDS-ΔΣM Fractional-N DPLL 深度解析
Chanwoong Hwang、Hangi Park、Yongsun Lee、Taeho Seong、Jaehyouk Choi(KAIST)在 IEEE JSSC 2022 上提出了基于环形 DCO 的分数-N DPLL,针对 5G 应用。关键创新:(1)概率密度整形 ΔΣ 调制器(PDS-ΔΣM),利用抖动量化定理设计 3URN 抖动 → 输出码具有 时不变 PDF → 对任意无记忆 DTC 非线性免疫杂散,同时通过 3URN 提供对环路电路非线性(NL_OC)的三阶免疫;(2)DTC 二阶/三阶非线性消除(DST-NLC),基于 LMS 算法消除 DTC INL 的低阶主导项 → RMS jitter 从 455fs 降至 365fs,分数杂散降至 −63 dBc。
基本信息
| 属性 | 值 |
|---|---|
| 标题 | A Low-Jitter and Low-Fractional-Spur Ring-DCO-Based Fractional-N Digital PLL Using a DTC’s Second-/Third-Order Nonlinearity Cancellation and a Probability-Density-Shaping ΔΣM |
| 作者 | C. Hwang, H. Park, Y. Lee, T. Seong, J. Choi |
| 机构 | KAIST(韩国科学技术院)/ UNIST / Samsung Electronics |
| 期刊 | IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.57, No.9, September 2022 |
| 工艺 | 65 nm CMOS |
| 面积 | 0.146 mm² |
| 频率 | 5.2–6.0 GHz(分数-N) |
| 分辨率 | 3.1 kHz |
| 功耗 | 9.27 mW @1.2 V |
| Jitter | 365 fs RMS(10 kHz–30 MHz) |
| 分数杂散 | < −63 dBc(最差情况) |
| 参考杂散 | −77 dBc |
| IPN | −41.3 dBc |
vs 已有来源定位
| 维度 | TIPM DPLL [12] | SR [14] | MASH1-1 + 增益校准 | 本文 PDS-ΔΣM + DST-NLC |
|---|---|---|---|---|
| 杂散抑制对象 | 仅对 NL_DTC 免疫 | 对 NL_OC 至 3 阶免疫 | 仅增益校准 | 对 NL_DTC 任意阶免疫 + 对 NL_OC 至 3 阶免疫 |
| 输出码 PDF | 时不变(均匀) | 时变 | 时变(MASH1-1 三角) | 时不变(均匀)+ 四轨分布 |
| 杂散抑制机理 | 时不变 PDF → 期望值恒定 | 多级 1-bit 再量化 + 统计抖动 | LMS 增益校准 | 3URN 抖动量化定理 + 时不变 PDF 分裂 |
| 硬件复杂度 | 低 | 高(10x MASH1) | 低 | 低(MASH1-1 + 2URN + TIPM) |
| Jitter 改善 | 无直接改善(仅扩散杂散能量) | 无直接改善 | 中等 | 减小 RMS jitter(DST-NLC 消除 Q-noise 残留) |
§I. 引言:分数-N RO-DPLL 的挑战
5G 需求背景
5G FR1/FR2 需要大量本振信号发生器 → 紧凑型 RO-DPLL 替代体积大的 LC-PLL 可显著减少芯片面积和制造成本。
核心矛盾
- 为抑制 RO 抖动 → 需宽环路带宽
- 但分数-N 架构中 ΔΣM 量化噪声(Q-noise)为高通整形 → 宽带宽会纳入带外 Q-noise
- 常规方案:DTC 前馈 Q-noise 消除(Fig.1(a))
DTC 非线性的问题
- DTC 非线性(NL_DTC)导致 Q-noise 残留 → 分数杂散 + 相位噪声泄漏
- 对环形 DCO DPLL 尤为严重(宽带宽),且在小 时恶化为剧
- Fig.1(b) 展示了 MASH1-1 + DTC Q-noise 消除后的典型相位噪声:仍可见显著分数杂散
现有方案的局限
| 方案 | 原理 | 局限 |
|---|---|---|
| 预失真/LUT [11] | LMS 补偿 DTC 非线性 | LUT 大小与精度矛盾 |
| TIPM [12](Fig.2) | 分裂 MASH1-1 输出为时不变 PDF 码 | 仅对 NL_DTC 有效;无法减小 RMS jitter |
| SR(连续再量化器)[14] | 多级 1-bit 量化器 + 统计抖动 | 复杂度高(10x MASH1),时变 PDF 仍有有限阶免疫 |
§II. ΔΣM 码的统计特性与分数杂散生成
MASH1-1 ΔΣM 的两轨行为
MASH1-1 的累积 Q-noise 码 具有两条轨(Fig.3):
时变 PDF
- 三角形 PDF,以 为周期时变
- 3D 图 Fig.3(b):x=时间,y=DR,z=PDF(颜色渐变)
非线性 → 杂散预测 [17]
- 线性 DTC:期望值恒为 0 → 无杂散(Fig.4(a))
- 非线性 DTC(如 3 次 + 5 次):期望值周期性波动 → 产生杂散(Fig.4(b))
- DTFS 可精确预测杂散频率和幅度
时不变 PDF → 期望值恒定 → 对任意记忆less NL 免疫杂散
§III. 提出的分数-N RO-DPLL
§III-A. 整体架构(Fig.5)
PDS-ΔΣM → DPDS,D → [DST-NLC] → DTC_D ─┐
├→ [TDC] → [DLF + FPEC] → [RDCO] → 输出
PDS-ΔΣM → DPDS,R → [DST-NLC] → DTC_R ─┘ ↑
│
参考时钟 ───────────────────────────────────────────┘
- 双 DTC 前馈 Q-noise 消除(同 TIPM [12])
- DLF:P-path + I-path,P-path 含 FPEC[18] 瞬时高增益
- RDCO:5 级反相器,P-path 直接连接(分离控制),配备 ADH 电容[19]
- MMD 再采样:MMD 输出由 RDCO 再采样 → 降低 jitter 和 NL(NL < 100 fs pp)
§III-B. PDS-ΔΣM:基于抖动量化定理的概率密度整形
理论基石:抖动量化定理(Fig.6(a))
定理 1:若 对非零整数 满足 ,则 对 恒定 → 的 m 阶 NL 不产生杂散
其中
定理 2:若 含均匀随机变量,则本征量化误差 (或 )本身是 [0,1) 均匀随机变量,且与 、、 独立
不同抖动的杂散免疫阶数
| 抖动类型 | PDF_{DDIT} | G_{DDIT}(u) | 对 NL 的免疫阶数 |
|---|---|---|---|
| 1URN | sinc(u) | sinc²(u) | m=1(仅一阶) |
| 2URN | sinc²(u) | sinc³(u) | m=1,2(至二阶) |
| 3URN | sinc³(u) | sinc⁴(u) | m=1,2,3(至三阶) |
| kURN | sincᵏ(u) | sincᵏ⁺¹(u) | m=1,…,k(至 k 阶) |
1URN 示例(Fig.6(b)):
\frac{\partial^2}{\partial u^2}\{\text{sinc}^2(u)\} \neq 0 \text{ for } u \in \mathbb{Z}\backslash\{0\} $ → 对 m=2 NL 产生杂散 **3URN 示例**(Fig.6(d)):前三阶导数均含 sinc(u) 因子 → 对 m=1,2,3 免疫 #### PDS-ΔΣM 实现(Fig.7) 利用**定理 2** 简化:3URN = 2URN(显式)+ 1URN(隐式,来自本征量化误差)D_{\text{PDS}, n} = D_{Q,n} - D_{Q,n-1} - D_{\text{2URN}, n} \tag{12}
\begin{aligned} D_{\text{PDS,D}, n} &= D_{\text{PDS}, n} + D_{\text{2URN}, n} = D_{Q,n} - D_{Q,n-1} \tag{13} \ D_{\text{PDS,R}, n} &= D_{\text{2URN}, n} \tag{14} \end{aligned}
两者均为 **2URN** → 时不变 PDF → **对任意阶 NL_DTC 免疫杂散** **仿真验证**(Fig.8): - (a) $D_{\text{PDS}}$ 四轨分布(无杂散) - (b) $D_{\text{PDS,D}}$、$D_{\text{PDS,R}}$ 时不变 PDF、PSD 无杂散 - (c) 经非线性 DTC 后仍保持时不变 PDF 和无杂散 PSD - (d) TDC 输出 $E[D_{\text{TDC}}]$ 近似恒定 → NL_OC 至三阶抑制 ### §III-C. DST-NLC 与 RW 版图技术(Fig.9) #### DTC 结构 - **粗调**:4 级 × 6-bit 二进制电容 - **细调**:1 级 × 6-bit 二进制电容 - **覆盖范围**:$2T_{\text{DCO}}$(PVT 下稳定) - **单位电容**:MOS 电容 #### RW(随机游走)版图技术(Fig.9(b)) - 将 64 个单位电容按后仿结果分组 - MATLAB 优化开关序列使 INL 最小化 - **效果**:有效缓解 INL 跳变不连续性(Fig.11(a)) #### DST-NLC 结构(Fig.9(c)) 基于 INL 的泰勒展开中**低阶项主导**的观察:\text{INL}(x) \approx a \cdot x + b \cdot x^2 + c \cdot x
LMS 更新: | 系数 | 更新准则 | 消除的 NL | |------|---------|----------| | **a(线性)** | 消除 $D_{\text{TDC}}$ 与 $D_{\text{PDS,D}}$ 的相关性 | 一阶增益误差 | | **b(二阶)** | 消除 $D_{\text{TDC}}$ 与 $D_{\text{PDS,D}}^2$ 的相关性 | **二阶 NL** | | **c(三阶)** | 消除 $D_{\text{TDC}}$ 与 $D_{\text{PDS,D}}^3$ 的相关性 | **三阶 NL** | | **d(粗/细增益)** | 消除粗/细分区的不连续性 | 分段误差 | **收敛特性**(Fig.10):带宽 a < c < b(避免发散)→ 最差 ~800 μs 完全收敛 **INL 改善**(Fig.11): - 仅 RW:峰值 INL ~ 2 ps - RW + 二阶 NL 消除:峰值 INL < **400 fs** - RW + 二/三阶 NL 消除:峰值 INL < **200 fs** ### §III-D. 噪声分析 **前馈模型**(Fig.12):$\tau_{\text{AQ,ERR}} = \tau_{\text{MMD}} - (\tau_{\text{DTC,D}} - \tau_{\text{DTC,R}})$ | 配置 | 抖动脉冲(RMS) | 杂散 | |------|---------------|------| | **无 DTC** | MASH: 81.7ps / PDS: 126.7ps | 有 | | **DTC + 增益校准** | MASH: 186fs / PDS: 265fs | MASH 有 / PDS 无 | | **DTC + DST-NLC** | MASH: 47fs / PDS: **64fs** | MASH 有 / PDS 无 | **时变噪声模型**(Fig.14):DCO 域 / 参考域双域模型,FPEC 建模为 5T_DCO 脉冲 **噪声贡献占比**(Fig.15): - DTC 热噪声:~60%(主导) - Q-noise 泄漏:< 3%(DST-NLC 后) - DCO 周期抖动:其余 --- ## §IV. 测量结果 ### 芯片性能(Fig.16) | 模块 | 功耗 | |------|------| | DCO + 分频器 | 5.39 mW | | 数字/DLF | 2.55 mW | | DTC + TDC | 0.98 mW | | DST-NLC(全阶) | 0.955 mW | | PDS-ΔΣM | 0.18 mW | | **总计** | **9.27 mW** | ### 相位噪声(Fig.17) | 条件 | RMS Jitter | IPN | |------|-----------|-----| | 5.3 GHz, DST-NLC off | 455 fs | −39.4 dBc | | **5.3 GHz, DST-NLC on** | **365 fs** | **−41.3 dBc** | | 5.8 GHz, DST-NLC off | 440 fs | — | | **5.8 GHz, DST-NLC on** | **368 fs** | — | ### 分数杂散抑制(Fig.18,DFRAC=2⁻¹⁵) | 配置 | 最差分数杂散 | |------|-------------| | MASH1-1 + DST-NLC off | −47 dBc | | MASH1-1 + DST-NLC on | −52 dBc | | **PDS-ΔΣM + DST-NLC on** | **−64 dBc** | ### 全频率范围性能(Fig.20) - RMS jitter 5.2–6.0 GHz:**< 370 fs** - 最差分数杂散(全 $D_{\text{FRAC}}$ 范围):**< −63 dBc**(相比 MASH1-1 改善 > 15 dB) ### 横向对比(Table II) 在分数-N RO-PLL 中达到**最优 RMS jitter + 最优分数杂散**,FoM 可比拟 LC-PLL(Fig.21)。 --- ## 关键贡献总结 1. **PDS-ΔΣM 理论框架**:基于抖动量化定理(Theorem 1 & 2),利用 3URN 抖动使 $D_{\text{PDS}}$ 具有时不变 PDF + 三阶 NL 免疫 → 对 NL_DTC 任意阶免疫 + 对 NL_OC 至三阶免疫 2. **PDS-ΔΣM 高效实现**:利用 Theorem 2,用本征量化误差作为隐式 URN → 只需 MASH1-1 + 2URN 即可实现 3URN 效果 3. **DST-NLC**:三系数 LMS 消除 DTC INL 的二阶和三阶项 + RW 版图减少分段不连续性 → 峰值 INL 从 2ps 降至 < 200fs 4. **噪声分析揭示 DTC 热噪声为带内主导**(~60%),Q-noise 泄漏降至 < 3% 5. 65nm CMOS 实现 **365 fs RMS jitter**、**< −63 dBc 分数杂散**、**9.27 mW** — 分数-N RO-PLL 最佳综合性能 --- ## 双向链接 **概念页**: - [[DPLL 环路架构与行为]] — 分数-N 架构、DTC Q-noise 消除、FPEC - [[数字控制振荡器 DCO 设计]] — 环形 DCO、ADH-SC - [[ΔΣ 调制器基础]] — MASH1-1、抖动量化定理、概率密度整形 - [[分数杂散抑制技术]] — PDS-ΔΣM、TIPM、SR、DST-NLC - [[背景校准技术]] — LMS 三系数校准、自相关检测 - [[DTC 数字时间转换器]] — 粗/细分段、RW 版图技术、INL 与线性度 **实体页**: - [[Jaehyouk Choi]] — 通讯作者(KAIST) - [[Taeho Seong]] — 合作作者(前作 FPEC DPLL) **演进关系**: - [[Seong UNIST KAIST 2019 JSSC FPEC DPLL 深度解析]] — KAIST 组前作 FPEC 技术 - [[Seong TIPM 2020]] — TIPM 技术前身 [12] - [[Avallone 2021 TCAS1 BB-DPLL PN Analysis 深度解析]] — 时变噪声模型用于本文 - [[Kang Liu 2023 JSSC FPC DCDL DPLL 深度解析]] — 同期 NTU 组的先进 DPLL 设计