Zhu Time-Based Integral Control PLL 深度解析

Junheng Zhu, Pavan Kumar Hanumolu 等人(UIUC Coordinated Science Laboratory)提出用环形振荡器积分器(ROI) 替代环路滤波电容实现 PLL 积分控制,结合模拟 P-path 消除量化误差,在 65 nm CMOS 中实现 0.0021 mm² 超紧凑面积 PLL。


基本信息

属性值
标题A 0.0021 mm² 1.82 mW 2.2 GHz PLL Using Time-Based Integral Control in 65 nm CMOS
作者J. Zhu, R.K. Nandwana, G. Shu, A. Elkholy, S.J. Kim, P.K. Hanumolu
期刊IEEE JSSC, Vol.52, No.1, January 2017
工艺65 nm CMOS LP
频率0.4–2.6 GHz(@2.2 GHz 典型)
面积0.0021 mm²(当时最小报告面积)
功耗1.82 mW @1 V, 2.2 GHz
Jitter3.73 ps RMS
FoM_J-226.0 dB

vs 已有来源定位

维度Razavi Ch.10 DPLLFerriss 2014 HPLLZhu 2017
I-path 实现数字累加器 + DACBBPD + 数字积分 + redundant DACCCRO 积分器(无损模拟积分)
量化误差TDC 量化噪声BBPD limit cycle无量化误差
面积瓶颈TDC + DAC数字逻辑极小(全振荡器)
工艺友好数字缩放混合全数字友好

§I. Introduction — 面积瓶颈分析

模拟 PLL 面积问题:

  • BW=3 MHz, PM=70° → 需 pF( kΩ,零点频率 = BW/10)
  • 65nm 电容密度 1 fF/μm² → 0.3 mm² 仅用于环路滤波电容
  • 工艺缩放加剧问题:① VCO 增益增大 → 需更大电容;② 漏电 → 禁用 MOS 电容

DPLL 面积/噪声权衡:

  • 数字累加器替代电容 → 面积小
  • TDC 量化误差 → 需高分辨率 TDC(功耗大)或低环路带宽(VCO 噪声增加)

HPLL 局限(Ferriss 2014):

  • 模拟 P-path 消除量化误差
  • 但高分辨率 DAC(或 DAC + LPF)仍占大面积

本文方案:CCRO 作为无损积分器 → 完全消除电容和 DAC → 面积仅 0.0021 mm²


§II. Proposed Architecture

CCRO 积分器原理

CCRO 输出频率正比于输入电流,相位=频率积分:

  • CCRO 执行真正的无损积分,独立于晶体管非理想性和电源电压
  • 积分器时间常数

完整 PLL 架构

  • PFD(三态)→ D2I_PROP 产生 3 级电流(, , )→ 直接注入 CCRO_M → 模拟 P-path
  • I-path:PFD → D2I_INT → CCRO_I(积分)→ PD(相位→PWM)→ D2I_PD → 注入 CCRO_M

Time-Based 积分器工作流程

  1. PFD 输出转电流 → CCRO_I 积分(电流→相位)
  2. CCRO_I 相位与参考时钟比较 → PD 输出 PWM(duty cycle 相位差)
    • 相位差 π → duty cycle 50%
    • 相位差 0.5π → duty cycle 25%
  3. PWM 电压 → D2I_PD → 驱动主 CCRO_M

关键特性:PD 输出仅取 CMOS 电平(2 级),但不引入量化误差(PWM 占空比连续变化)

CCRO 频率锁定约束

  • 稳态时 CCRO 频率必须等于参考频率 → 防止 PD 输出饱和
  • 类比:运放积分器中输入 DC 失调导致输出饱和

§III-IV. 设计挑战与缓解技术

PWM 杂散问题:

  • 用 PWM 信号控制 VCO → 引入周期性杂散 tone
  • 缓解:Pseudo-differential ROI → 对消 PWM 基频及其谐波杂散

CCRO 相位噪声:

  • CCRO_I 作为积分器运行在自由振荡状态 → 相位噪声需优化
  • 通过合理选择 CCRO 级数和偏置电流平衡噪声与功耗

§V. 电路实现

  • D2I 转换器:三态 PFD 输出 → 电流切换
  • CCRO:电流控制环形振荡器(多级反相器链)
  • PD:简单触发器比较 CCRO_I 相位与参考时钟

§VI. 实验结果

参数值
锁定范围0.4–2.6 GHz
电源电压范围0.6–1.2 V
功耗(2.2 GHz, 1V)1.82 mW
积分 jitter3.73 ps RMS
FoM_J-226.0 dB
核心面积0.0021 mm²

关键贡献总结

  1. CCRO 无损积分器首次用于 PLL 积分控制,替代环路滤波电容
  2. 完全无量化误差(P-path 模拟 + I-path PWM 连续占空比)
  3. 超紧凑面积 0.0021 mm²(当时最小 PLL 面积报告)
  4. 宽电压工作 0.6–1.2 V,宽频率 0.4–2.6 GHz
  5. Pseudo-differential ROI 抑制 PWM 杂散

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