Seong UNIST KAIST 2019 JSSC FPEC DPLL 深度解析

Taeho Seong(UNIST)、Yongsun Lee、Seyeon Yoo 和 Jaehyouk Choi(KAIST)在 IEEE JSSC 2019 上提出了基于 环形 DCO 的整数-N DPLL,结合 快速相位误差校正(FPEC) 与 最优阈值 TDC(OT-TDC) 技术,在 65nm CMOS 中实现了 320 fs RMS jitter、−75 dBc 参考杂散、6.0 mW 功耗。关键创新:利用 Lloyd-Max MMSE 算法优化 TDC 判决阈值与修正增益,以 仅 3 级 OT-TDC 实现了 34% 的抖动改善 vs 传统 BBPD 方案,并配备 τTH 控制器 和 K 增益控制器 后台自动校准。


基本信息

属性值
标题A 320-fs RMS Jitter and −75-dBc Reference-Spur Ring-DCO-Based Digital PLL Using an Optimal-Threshold TDC
作者Taeho Seong, Yongsun Lee, Seyeon Yoo, Jaehyouk Choi
机构UNIST(韩国蔚山科学技术院)/ KAIST(韩国科学技术院)
期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.54, No.9, September 2019
工艺65 nm CMOS
面积0.055 mm²(有源区)
频率2.3–2.55 GHz
功耗6.0 mW @1.2 V(其中 OT-TDC + τTH 控制器仅 70 μW)
Jitter320 fs RMS(1 kHz–100 MHz)
Reference Spur−75 dBc
前期会议版ISSCC 2018, pp. 396–398 [21]
前期模拟版VLSI 2017 (analog SLF-FPEC PLL) [19]; JSSC 2018 [20]

vs 已有来源定位

维度Kuan/Liu 2016 DBPLLILCM [1–15]SLF PLL [16–18]Seong 2019 FPEC DPLL
核心抖动抑制机制环路增益优化 (ALGC)注入锁定(相位重对齐)开关环路滤波器FPEC(快速脉冲校正,模拟注入锁定)
振荡器类型LC-DCO环形环形(模拟)环形 DCO
PD/TDC 类型BBPD(1-bit)PDPFD/CPOT-TDC(3 级最优阈值)
参考杂散−72.89 dBc大(注入脉冲引起)中等−75 dBc(最低)
后台校准ALGC(β)无无τTH 校准 + K 增益校准
对 PVT 鲁棒性高(数字校准)低(模拟注入)中高(纯数字后台校准)

§I. 引言:ILCM 与 SLF PLL 的局限

环形振荡器的抖动问题

环形振荡器相比 LC 振荡器具有明显优势:高面积效率、多相位生成、宽频率调谐范围。但抖动性能差限制了其在高端应用中的使用。

现有方案

架构优点缺点
ILCM(注入锁定时钟倍频器) [1–15]通过相位重对齐机制大幅降低抖动缺乏积分器 → 参考杂散大、乘法因子 N 受限
SLF PLL(开关环路滤波器) [16–18]传递函数包含积分器 → 无 ILCM 的问题抖动性能通常不及 ILCM

FPEC(快速相位误差校正)技术演进

  • 模拟 FPEC PLL [19,20]:SLF 架构中实现,检测相位误差后瞬时产生类似脉冲的控制电压变化 → 模拟注入锁定 → 低抖动 + 低杂散 + 大 N
  • 关键缺陷:模拟实现 → 环路增益对 PVT 变化敏感 → 难以维持最优工作点

本文方案 → 数字 FPEC DPLL

将 FPEC 移植到 DPLL 架构中,利用数字算法精确校准环路特性。但需解决:

核心挑战:传统 TDC 的量化误差 限制了 FPEC 技术的有效性 → 需要新型 TDC 设计。


§II. FPEC 技术的抖动抑制能力与 限制

FPEC 工作原理(Fig.1)

                      ┌──────────────────────┐
S_REF ──→          │      TDC / PD         │
S_DIV ──→          │  (量化相位误差 τ_ERR)  │
                      └──────────┬───────────┘
                                 │ D_TDC
                                 ▼
                      ┌──────────────────────┐
                      │      DLF / FPEC      │
                      │  T_FPEC 期间高增益   │
                      │  其余时间低增益      │
                      └──────────┬───────────┘
                                 │ ΔD_FCW
                                 ▼
                               DCO
  • 传统 DPLL: 在整个参考周期 内保持恒定 → 线性消除
  • FPEC DPLL: 期间 DLF 增益极高 → 瞬时大幅增加 → 在短时内集中消除
  • (本文选择)

抖动方差分析(Fig.2)

分析条件:相同 DCO 和 TDC,仅考虑 DCO 噪声。

  • :前一个 产生的旧抖动 → 在当前 中被消除
  • :当前 中新产生的抖动 → 线性增长至
架构VAR[] 变化VAR[] 形状RMS Jitter
传统 DPLL缓慢线性下降近似恒定较大
FPEC DPLL快速脉冲式下降锯齿形(每周期末端极小)显著更低

量化误差 的根本限制

即使 FPEC 快速消除 ,TDC 的有限分辨率导致:

  • TDC 捕获的是 而非真实
  • 每周期末端残留非零
  • 最大化 FPEC 有效性的关键 → 最小化

§III. 最优阈值 TDC(OT-TDC)

§III-A. BBPD 的固有限制

传统 BBPD 方案(Fig.3):

τ_ERR 的 PDF(高斯,σ_ERR)
   │
   │       ┌─────────────────────┐
   │       │     DT=0 (仅一个)    │
   │       │     RL=±K1 (仅两个)   │
   └───────┴─────────────────────┴──────→
  • 单一判决阈值(DT):0
  • 两个代表电平(RL):+K₁、−K₁
  • K₁ 过小 → 校正不足;K₁ 过大 → 过冲
  • 即使 K₁ 最优, 仍无法充分降低

OT-TDC 的核心思想(Fig.4)

τ_ERR 的 PDF(高斯,σ_ERR)
   │
   │   A1 │  A2  │  A3  │ A4
   │      │      │      │
   └──────┴──┴──┴──┴──┴──┴──────→
        -τ_TH   0   +τ_TH
   RL: -3K  -K      +K   +3K
  • 多个 DT:()
  • 多个 RL:(等距排列)
  • 两个后台数字控制器持续优化 DT 和 RL:
    • 控制器 → 校准 DT( 和 )
    • 增益控制器 → 校准 RL()

§III-B. Lloyd-Max MMSE 优化

问题定义:给定高斯白噪声 PDF()和 (等距 RL),求最优 和 使 最小。

Lloyd-Max 算法[30] 结果:

概率分布(三个区域):

行为仿真验证(Fig.5(b)):

参数理论值(Lloyd-Max)仿真最优值偏差
1.001.033%
0.500.512%

NTDC 选择

NTDCσRMS 改善(vs BBPD)备注
1(BBPD)基准—
334% ↓本文选择
5额外 4% ↓复杂度增加显著
7额外 2% ↓收益极小

结论: 在复杂度与性能间达到最优平衡。


§IV. 设计与实现

§IV-A. 整体架构(Fig.6)

参考时钟 ──→ [OT-TDC] ──→ [FPEC DLF] ──→ [Ring DCO] ──→ 输出
               ↑              │                         │
               │        ┌─────┴─────┐                  │
               │        │ τTH 控制器 │                  │
               │        │ K 增益控制器│                  │
               │        └───────────┘                  │
               └───────────────── 分频器 ←──────────────┘
  • OT-TDC:3 组 DTC + DFF(Fig.7)
  • FPEC DLF:积分路径增益 << 比例路径增益(比例 1:19),避免抖动峰值
  • P/I 路径分离:数字码 和 分别传送至 DCO 直接合并 [22]
  • FPEC 触发: 控制 P-path 在 内开启
  • 粗调 PD:仅在 极大时使能, 放大 倍后送入 I 路径累加器

§IV-B. τTH 控制器 与 K 增益控制器

τTH 控制器(Fig.8(a))

原理:估计当前 和 与最优值的偏差 → 比较 、 的平均值与目标值 → 调整 和

目标平均值的理论计算:

实现:

  • 100 抽头 FIR 滤波器(系数全 1)→ 求和 100 个连续位流
  • SH(采样保持)电路 → 每 100 采样一次
  • 比较采样值与 → 累加器更新

关键设计考虑:

  • τTH 校准带宽 << DPLL 带宽 → 稳态波动对 RMS jitter 的影响 < 1%
  • τU 和 τL 独立控制 → 补偿 DTC 间本地失配

K 增益控制器(Fig.8(b))

原理:基于 的自相关函数 调整 K

K 状态 模式调整方向
过高周期交替(脉冲型)负降低 K
过小连续同号(长串型)正增大 K
最优随机(白噪声型)零保持

收敛速度:K 增益控制器带宽 >> τTH 控制器带宽 → 最坏情况总收敛时间 < 1.5 ms

§IV-C. DTC 设计与校准可靠性(Fig.9)

DTC 结构

  • 每组 DTC:2 级反相器 + 8-bit 二进制加权电容
  • 单位 MOS 电容阵列 → 最大化线性度
  • 仿真 DNL:< 0.04 LSB(典型),< 0.05 LSB(ss/100°C, ff/0°C corners)

路径延迟与失配

三条路径(U/M/L)的总延迟:

失配源特性
版图时钟/电源布线不对称 → 后仿 −1.65 ps(U vs M)、−1.60 ps(L vs M)
DTC 本地工艺变化 → 与 正相关
BBPD 本地工艺变化 → fs

校准成功条件

迭代设计流程 → 最终 ps → 校准成功率 99.7% → 分辨率 34 fs(8-bit)

§IV-D. 环形 DCO 与 ADH-SC(Fig.10)

DCO 结构

5 级反相器环,频率通过输出端有效电容调谐:

控制路径控制方式调谐范围
I 路径粗调()7-bit 二进制加权电容组2.30–2.55 GHz
I 路径细调()ΔΣDAC(5-bit R-DAC + MASH 1-1)+ RC 滤波器 → NMOS 可变电容10 MHz 范围, 1.5 kHz/LSB
P 路径()ADH-SC(模拟-数字混合开关电容)瞬时响应

ADH-SC(Analog-Digital-Hybrid Switched Capacitors)

V_K (来自 ΔΣDAC + LPF)
     │
     ▼
   M_K (电阻退化 NMOS)
     │
     ├── SW_P ── MOS 电容 ── GND
     ├── SW_P ── MOS 电容 ── GND
     ├── ...(6 单位单元,温度计码)
     └── SW_P ── MOS 电容 ── GND
  • 6 个单位单元(非二进制)→ 最小化本地失配 + 良好线性度
  • :3-bit → B2T → 6-bit 温度计码 → 控制 SW_P
  • P 路径无延迟 → 即时电容变化 → 最快误差消除
  • 控制 阻抗 → 改变 P 路径增益:
    • 低 → 高阻 → 大 → 增益高
    • 高 → 低阻 → 小 → 增益低

关键性能指标:

  • 随 (0.5–1.2V)单调变化(Fig.11(a))
  • 最坏条件下 @VK=0.7V
  • 120k 次行为仿真 → 3σ RMS jitter 退化 < 1%
  • ΔΣDAC 量化噪声导致 K 偏差 0.12% → RMS jitter 退化 < 0.1%

§V. 测量结果

芯片与功耗(Fig.12)

模块功耗
DCO2.30 mW
分频器2.04 mW
DLF/buffer1.56 mW
OT-TDC + τTH 控制器0.07 mW(仅 1.2%)
总功耗6.0 mW
有源面积0.055 mm²

相位噪声性能(Fig.13,2.4 GHz @75 MHz 参考,N=32)

相位噪声 [dBc/Hz]
   │
-80 │
   │                  FPEC 宽带噪声抑制 (~20MHz)
-90 │                 ┌─────────────────────────┐
   │                 │                         │
-100│                 │                         │
   │   ┌──────────┐  │                         │
-110│   │NTDC=3:   │  │  (NTDC=3: 320fs RMS)   │
   │   │-117dBc   │  │                         │
-120│   │@100kHz   │  │                         │
   │   └──────────┘  └─────────────────────────┘
-130│
   │   NTDC=1: 454fs RMS, -112dBc/Hz @100kHz
-140│
   └──┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────
     10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰
              频率偏移 [Hz]
配置Phase Noise @100kHzRMS Jitter (1kHz–100MHz)
NTDC=3(OT-TDC 全开)−117 dBc/Hz320 fs
NTDC=1(仅中间路径)−112 dBc/Hz454 fs

参考杂散与鲁棒性

条件RMS JitterReference Spur
2.4 GHz(fREF=75 MHz)320 fs−75 dBc
2.5 GHz(fREF=78.125 MHz)321 fs−77 dBc
电源电压 1.15–1.25 V变化 < 40 fs变化 < 2 dB
fOUT 2.3–2.5 GHz变化 < 40 fs变化 < 5 dB

对比先进水平

  • Table I:与环形振荡器时钟发生器(ILCM、MDLL、Type-II PLL、SLF PLL)对比 → 最低参考杂散 + 极具竞争力的 jitter
  • Table II:与先进 DPLL 对比 → 优于其他环形 DCO DPLL [32–34],甚至可比拟 LC-DCO DPLL [35,36]
  • Fig.17(a)(b):在 jitter-spur 二维平面上表现最佳

关键贡献总结

  1. FPEC 技术首次数字实现(之前为模拟 SLF-FPEC [19,20]): 内脉冲式高增益 → 类似注入锁定 → 显著降低环形 DCO 抖动
  2. OT-TDC(最优阈值 TDC):基于 Lloyd-Max MMSE 算法 确定最优判决阈值 和修正增益 → 仅 3 级 TDC 即实现 34% 抖动改善 vs BBPD
  3. 控制器:通过 FIR+SH 检测 和 → 后台持续校准 和 至目标值 ±0.68
  4. 增益控制器:基于 自相关 → 后台校准至零 → 最优修正增益
  5. ADH-SC(模拟-数字混合开关电容):P 路径零延迟控制 DCO + 增益可调(通过 控制 阻抗)
  6. 65nm CMOS 实现 320 fs RMS jitter、−75 dBc ref spur、0.055 mm²、6.0 mW,PVT 鲁棒

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