Kang Liu 2023 JSSC FPC DCDL DPLL 深度解析
Zhi-Heng Kang 和 Shen-Iuan Liu(台湾大学)在 IEEE JSSC 2023 上提出了使用**前馈相位误差消除(FPC)**的环形 DCO DPLL。关键创新:(1)FPC 技术:将 **DCDL(数字控制延迟线)**置于环内 → 相位误差由 DCDL 快速补偿 → 消除残余抖动 → 等效拓宽环路带宽;(2)死区自由(DZF)BBPFD 通过 3 输入 NAND 门避免传统 BBPFD 的迟滞死区 → 提高 TDC 分辨率;(3)双积分路径限制 DCDL 范围 → 避免宽延迟范围需求;(4)β 控制器基于自相关确保 。
基本信息
| 属性 | 值 |
|---|---|
| 标题 | A 1.6-GHz DPLL Using Feedforward Phase-Error Cancellation |
| 作者 | Zhi-Heng Kang, Shen-Iuan Liu |
| 机构 | Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University (NTU) |
| 期刊 | IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.58, No.3, March 2023 |
| 工艺 | 40 nm CMOS |
| 面积 | 0.05 mm² |
| 频率 | 1.6 GHz(环形 DCO 调谐 1.28–2.12 GHz) |
| 功耗 | 5 mW @1.1 V(DCDL 0.7 mW) |
| Jitter | 788 fs RMS(1 kHz–100 MHz) |
| 参考杂散 | −57.84 dBc |
| FoM | −235 dB |
vs 已有来源定位
| 维度 | ILCM [2,3] | FPEC DPLL [7] | FFNC VCDL [4,5] | Kang/Liu 2023 FPC DPLL |
|---|---|---|---|---|
| 校正机制 | 注入锁定(参考边缘重对齐) | 脉冲式高增益 DLF | 环外 VCDL 延迟补偿 | 环内 DCDL 前馈相位消除 |
| 环路位置 | 环外注入 | 环内 DLF | 环外 | 环内 DCDL |
| 延迟线位置 | 无 | 无 | 环外(PVT 敏感) | 环内(受环路控制) |
| 残余抖动消除 | 是 | 需 τQ → 受 TDC 限制 | 部分 | 当 KTDCβKDCDL=1 完全消除 |
| 死区问题 | 无 | BBPD 迟滞死区 | 无 | DZF BBPFD 消除死区 |
| DCDL 范围 | — | — | 需覆盖 PVT | 双积分路径限制 → 仅 ±32ps |
§I. 引言:环形振荡器 PLL 的三种校正类别
为抑制环形振荡器的高相位噪声,需宽环路带宽,但稳定性与带宽存在权衡。
三种快速校正相位误差的技术:
| 技术 | 代表工作 | 原理 | 局限 |
|---|---|---|---|
| ILCM(注入锁定) [2,3] | 参考时钟注入重对齐 | 优异的抖动抑制 | 需额外频率校准应对 PVT |
| FFNC(前馈噪声消除) [4,5] | VCDL 延迟补偿 | VCDL 环外,PVT 敏感 | 需复杂校准电路 |
| FPEC(快速相位误差校正) [6,7] | 短时高增益脉冲 | 数字实现 + 自相关增益校准 | BBPD 迟滞死区降低精度 |
本文解决的问题
- 传统 BBPD 的建立/保持时间导致迟滞死区 → 降低 TDC 精度
- DCDL 若置于环外(FFNC)→ PVT 敏感;置于环内(本文)→ 受环路控制,更鲁棒
- DCDL 延迟范围过大 → 芯片面积和功耗增加
§II. 噪声分析
§II-A. Type-II DPLL 的残余抖动问题
离散时间噪声模型(Fig.2):双域(慢/快时钟)模型,含 ZOH 上采样和 ÷N 下采样。
输出噪声递推(Fig.1 type-II PLL):
其中 为最优条件 [9]。
RMS jitter:
关键问题:第一项中的 来自残余抖动 → 直到 才完全消除 → 整个周期内累积的 DCO 抖动被残余项放大
§II-B. 提出的 FPC PLL
核心思想(Fig.3):在环内插入 DCDL → TDC 感知相位误差后,DCDL 立即(前馈)补偿相位,无需等待整个参考周期。
FPC 噪声模型(Fig.4)
输出噪声递推:
其中 DCDL 控制码:
残余抖动消除条件:
当 时,(15) 中 项被完全消除:
对比 Eq.(6):FPC 不再有 残余项!
FPC RMS Jitter
以 N=32 为例的数值对比(Table I):
| 抖动项 | Type-II PLL (Eq.7) | FPC PLL (Eq.17) |
|---|---|---|
| 系数 | 26.67 | 16.5 ↓ |
| 系数 | 0.67 | 1.0 ↑ |
结论:FPC 抑制 DCO 抖动(系数 26.67→16.5),略微增加参考/TDC 噪声贡献(0.67→1)→ 等效环路带宽更大。
§III. 电路描述
§III-A. FPC PLL 架构(Fig.5)
TDC (DZF-BBPFD×3)
│ 输出: -3/-1/+1/+3
▼
[β 控制器] → β → [数字积分器 (β)] → C_DCDL[8:0] → [DCDL (150fs/LSB, ±32ps)]
│
- {1,8b'0}
│
▼
[积分路径 α] ─→ [双积分路径 γ] ─→ DCO
- TDC:4 电平输出(-3/-1/+1/+3),由 3 个 DZF-BBPFD + 3 个 DTC 构成
- β 控制器:后台自相关校准 → 保证
- 比例路径延迟:~0.25 参考周期
- DCO 细调: 经 1 阶 ΔΣM → 增强分辨率
§III-B. DZF BBPFD(死区自由 Bang-Bang PFD)
传统 BBPFD 的死区问题(Fig.6)
传统 BBPFD(PFD + DFF3)的转移曲线存在迟滞区:
- 死区约 1.4 ps(标准单元 DFF 前仿)
- 死区内的相位误差无法正确量化 → 降低 TDC 精度 → 恶化相位噪声
DZF BBPFD 设计(Fig.7)
REF ──→ [PFD] ─┬─ UP ─→ [三输入 NAND] ─→ RST ─→ [DFF1, DFF2 复位]
DIV ──→ │ ↑
└─ DOWN ─→ [DFF3] ─ QB ─→ [DFF4] ─→ OUT
↑
DZF_EN(常规/DZF 选择)
工作原理:
- 当 UP 和 DOWN 都高且 DFF3 的 QB 就绪 → RST 变低 → DFF1/DFF2 复位
- RST 变高后,BBPFD 输出由 QB 决定
- 当 REF 和 DIV 都低且 DZF_EN=1 → DFF3 复位 → QB 保持低
- 关键:QB 在 REF 或 DIV 上升前始终为低 → 消除了 DFF3 建立/保持时间引起的死区
转移曲线对比(Fig.7(b) vs Fig.6(b)):
| BBPFD 类型 | 死区 | 1MHz 相位噪声 @1.6GHz | RMS Jitter |
|---|---|---|---|
| 传统 BBPFD | ~1.4 ps | −101.23 dBc/Hz | 2.4 ps |
| DZF BBPFD | 无 | −106.76 dBc/Hz | 1.3 ps |
§III-C. β 控制器
原理:基于 S[k] 的自相关 [8–10]
| 状态 | S[k] 与 S[k-1] 相关性 | β 调整 |
|---|---|---|
| < 1 | 正相关 | 增大 β |
| = 1 | 零相关 | 保持(最优) |
| > 1 | 负相关 | 减小 β |
§III-D. DLF 与 DCDL
DCDL 范围限制
若无双积分路径,DCDL 需覆盖 DCO 自由振荡频率变化和抖动的完整范围 → 范围过大。
双积分路径的作用:
- → 积分路径和双积分路径
- 锁定时平均值为零 → 的静态分量被积分路径吸收
- DCDL 仅需覆盖动态抖动
DCDL 码的标准差:
- 增大 可减小 → 但 RMS jitter 略微增加(Fig.9 仿真)
- 本文选择 → ps
DCDL 实现(Fig.10):
- 3 级反相器 + 511 个 nMOS 可变电容 + 开关
- 温度计码 交叉控制 → 保持线性度
- fs/LSB @1.6 GHz
- 调谐范围 ±32 ps(覆盖 > 7×)
- 仿真相位噪声 @1MHz:−163 dBc/Hz
开环传递函数与稳定性
- 单位增益频率:8 MHz
- 积分路径增益项 >> 双积分路径增益项(在单位增益频率)→ 选择
§III-E. DCO
- 60 个 5 级环形振荡器并联
- 粗调:127 个数字控制反相器()
- 细调:127 个 nMOS 可变电容(温度计码),89 kHz/LSB
- 附加 nMOS 可变电容经 1 阶 ΔΣM 增强分辨率
- 频率范围:1.28–2.12 GHz
- 仿真相位噪声 @1MHz:−99 dBc/Hz
§IV. 测量结果
芯片性能
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 工艺 | 40 nm CMOS |
| 有源面积 | 0.05 mm²(DCO+DCDL: 0.008, TDC: 0.012, 数字: 0.03) |
| 参考频率 | 50 MHz |
| 输出频率 | 1.6 GHz |
| 功耗 | 5 mW @1.1 V(DCDL: 0.7 mW) |
相位噪声测量
β 控制器和阈值控制器禁用(Fig.13)
| TDC 类型 | Phase Noise @1MHz | RMS Jitter (1kHz–100MHz) |
|---|---|---|
| 传统 BBPFD | −101.23 dBc/Hz | 2.4 ps |
| DZF BBPFD | −106.76 dBc/Hz | 1.3 ps |
→ DZF BBPFD 改善约 46% RMS jitter
β 控制器和阈值控制器启用(Figs.14, 16)
| 配置 | Phase Noise @1MHz | RMS Jitter | 备注 |
|---|---|---|---|
| 传统 BBPFD | −116.33 dBc/Hz | 2 ps | 10MHz 噪声峰值(β 增大导致阻尼因子降低) |
| DZF BBPFD | −118.25 dBc/Hz | 788 fs | 无噪声峰值,DZF 解决迟滞问题 |
参考杂散(Figs.15, 17)
| 配置 | Reference Spur |
|---|---|
| 传统 BBPFD | −58.06 dBc(有频率过冲) |
| DZF BBPFD | −57.84 dBc(无过冲) |
仿真对比(Fig.18, Table IV)
- TDC 阈值设置: ps
- 最终 β(FPC PLL):5.1
- 最终 β(Conventional PLL):4.4
- 计算 RMS jitter(FPC):864 fs(与测量 788 fs 接近,差异因仿真时间分辨率有限)
性能总结(Table III)
| 指标 | This Work | [7] FPEC DPLL | [3] ILCM | [4] FFNC |
|---|---|---|---|---|
| RMS Jitter | 788 fs | 320 fs | 185 fs | 330 fs |
| 功耗 | 5 mW | 6 mW | 8.2 mW | 3.1 mW |
| FoM | −235 dB | −242 dB | −245 dB | −239 dB |
作者注:本文 TDC 的 DZF BBPFD 改进了 [7],功耗更低;但 FoM 和 RMS jitter 弱于 [3][4][7] — 可能由于 40nm 工艺和环形 DCO 设计差异。
关键贡献总结
- FPC(前馈相位误差消除):环内 DCDL 在前馈路径中快速补偿相位误差 → 当 时完全消除残余抖动 → 等效拓宽环路带宽
- DZF BBPFD(死区自由 BBPFD):3 输入 NAND 门 + 额外 DFF4 → 消除传统 BBPFD 的迟滞死区 → 改善 TDC 精度 → RMS jitter 从 2.4ps 降至 1.3ps(禁用 β 控制器时)
- 双积分路径限制 DCDL 范围:DCDL 仅需覆盖动态抖动 ±32ps(7σ),无需覆盖 DCO 频率偏移
- β 控制器:基于 SIGN 自相关 → 后台确保 → 消除残余抖动
- 40nm CMOS 实现 788 fs RMS jitter、5 mW、0.05 mm²
双向链接
概念页:
- Bang-Bang PFD 原理与非线性 — DZF BBPFD 死区消除机制
- DPLL 环路架构与行为 — FPC 架构、DCDL 环内前馈、双积分路径
- 数字控制振荡器 DCO 设计 — 60 并联 5 级环形 DCO
- PLL 相位噪声与抖动分析 — FPC 与 Type-II 的 RMS jitter 闭式对比
- 背景校准技术 — β 控制器(自相关)
- DCDL 数字控制延迟线 — 环内 DCDL 设计、温度计码交叉控制
实体页:
- Shen-Iuan Liu — 通讯作者(台大)
演进关系:
- Kuan Liu 2016 JSSC BB-PLL ALGC 深度解析 — 同组前作,自相关环路增益控制
- Seong UNIST KAIST 2019 JSSC FPEC DPLL 深度解析 — FPEC 技术 [7],本文的对比基准
- Avallone 2021 TCAS1 BB-DPLL PN Analysis 深度解析 — 时变噪声模型
- Hwang KAIST 2022 JSSC PDS-ΔΣM Fractional-N DPLL 深度解析 — 同期先进 DPLL,互补的分数-N 视角