Yang Calibration-Free OPDTPNC PLL 深度解析
Xiaofeng Yang 等人（澳门大学，Rui Paulo Martins 组）提出**开环离散时间相位噪声消除（OPDTPNC）**技术，级联于窄带 Type-II PLL 之后，实现等效相位重对齐（滤波带宽 ）。采用 PVT tracking bias 使 sampler/corrector 增益同步漂移 → 无需校准，jitter PVT 退化 <9%。
基本信息
| 属性 | 值 |
|---|---|
| 标题 | A Calibration-Free Ring-Oscillator PLL With Gain Tracking Achieving 9% Jitter Variation Over PVT |
| 作者 | X. Yang, C.-H. Chan, Y. Zhu, R.P. Martins |
| 期刊 | IEEE TCAS-I, Vol.67, No.11, November 2020 |
| 工艺 | 28 nm CMOS |
| 频率 | 2.4 GHz |
| 面积 | 0.023 mm² |
| 功耗 | 4.1 mW @1 V |
| Jitter | 248 fs (with PNC) / 686 fs (without) |
| 参考杂散 | -63 dBc |
| PVT 鲁棒性 | T: 0–100°C, V: ±5%, gain: 6 dB → jitter 退化 <9% |
vs 已有来源定位
| 维度 | 传统 Type-II PLL | ILCM/MDLL | Yang 2020 OPDTPNC |
|---|---|---|---|
| 滤波带宽 | 受稳定性限制（BW ≪ ） | （相位重对齐） | （接近重对齐） |
| 稳定性 | 需仔细补偿 | 需频率跟踪环路 | 前馈无相位→无稳定性问题 |
| 校准 | 环路增益校准 | 无 | 无需校准 |
| 参考杂散 | 中 | 可能增加 | 不增加（离散时间操作） |
§I. 现有 PNC 技术回顾
延迟线鉴别器 PNC：额外电路多、面积/功耗大
Sub-sampling DLL PNC：DLL 高增益采样 → 功耗大
前馈 PNC（FFNC）：需校准（注入测试 tone + 相关提取增益误差）→ 复杂度高
§II-III. OPDTPNC 原理
核心思想
- Type-II PLL 后级联 OPDTPNC → 宽频带 PN 滤波
- PLL 环路为窄带 → 不影响稳定性
- OPDTPNC 为前馈 → 无额外相位 → 无稳定性问题
等效相位重对齐
- 离散时间操作对 VCO 输出进行 sub-sampling → 提取 PN → 前馈消除
- 等效滤波带宽 （接近 ILCM/MDLL 的相位重对齐效果）
Gain Tracking（免校准关键）
- Sampler 和 corrector 使用相同电路结构
- PVT tracking bias 确保两模块增益同步变化
- PVT 变化时 gain error 自消除 → 无需前台/后台校准
§IV-V. 电路实现与 PVT 分析
- 离散时间操作 → 无额外参考杂散（CT PNC 的主要缺点）
- Ring oscillator 相位噪声 → OPDTPNC 提供宽带抑制
§VI. 测量结果
| 条件 | Jitter (RMS) |
|---|---|
| 无 PNC | 686 fs |
| 有 PNC | 248 fs（2.8× 改善） |
| T: 0–100°C | <9% 退化 |
| V: ±5% | <9% 退化 |
| 环路增益: ±6 dB | <9% 退化 |
关键贡献总结
- OPDTPNC 首次实现开环离散时间 PN 消除，带宽
- Gain tracking 通过相同结构 + PVT tracking bias 实现免校准
- 级联 Type-II PLL → 兼具 Type-II 稳定性和 ILCM 宽滤波优势
- 28 nm 实测：jitter PVT 退化 <9%，参考杂散 -63 dBc
双向链接
概念页：
- Hybrid PLL架构与技术 — §6 (PNC)
- 相位噪声对PLL影响 — PN 滤波带宽权衡
- 环路滤波器与电荷泵PLL — Type-II PLL 带宽限制
其他来源：
- Sharkia Type-I Sub-Sampling PLL 深度解析 — 另一种实现紧凑低 jitter PLL
- Liu Ultra-Low-Jitter Fast-Hopping Hybrid PLL 深度解析 — 进一步降低 jitter 至 36.8 fs