前饋環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)與相位噪聲研究*

桑 浩，袁珩洲，梁 斌，陳建軍，郭 陽

(國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 長沙 410073)

1 引言

隨著通信領(lǐng)域需要更高速的數(shù)據(jù)傳輸,高速串行通信SerDes(Serializer/Deserializer)逐漸取代了傳統(tǒng)并行通信技術(shù)。在SerDes系統(tǒng)中,鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop)不僅提供高速穩(wěn)定的時(shí)鐘,同時(shí)還為相位插值時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(Phase Interpolator Clock and Data Recovery)提供正交相位的插值信號[1-5]。振蕩器是鎖相環(huán)的關(guān)鍵部件,其相位噪聲會影響整個(gè)鎖相環(huán)的噪聲與抖動(dòng)性能,因而設(shè)計(jì)一款高速低相位噪聲的正交振蕩器是很有必要的。

電感電容振蕩器具有高頻低相位噪聲的優(yōu)勢,但是一般需要外加延遲電路來提供多相位輸出,這會降低相位精準(zhǔn)度。將2個(gè)電容電感振蕩器耦合連接,能夠提供精準(zhǔn)的正交信號[6],但是這大大增加了芯片面積。環(huán)形振蕩器本身能夠提供多相位輸出,并且具有調(diào)諧范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、面積小和功耗小的優(yōu)點(diǎn),適用于SerDes的正交振蕩器。

在目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中已經(jīng)有一些關(guān)于正交環(huán)形振蕩器的研究：文獻(xiàn)[7，8]設(shè)計(jì)了差分延遲單元,并將前三個(gè)延遲單元同相連接,最后一個(gè)延遲單元反相連接,可以提供精準(zhǔn)正交相位的振蕩信號;文獻(xiàn)[9]研究傳統(tǒng)的前饋環(huán)形振蕩器,在由CMOS反相器構(gòu)成的環(huán)路上增加了前饋路徑,使反相器構(gòu)成的偶數(shù)級環(huán)形振蕩器能夠振蕩,并實(shí)現(xiàn)正交相位的輸出。這2種結(jié)構(gòu)雖然相對簡單,占用面積小,但相位噪聲性能仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

本文分析并設(shè)計(jì)了2種新型低相位噪聲前饋環(huán)形振蕩器?；趥鹘y(tǒng)前饋結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)的振蕩器分別將前饋路徑耦合至主路徑CMOS反相器的1個(gè)源極和2個(gè)源極，即單源極前饋環(huán)形振蕩器和雙源極前饋環(huán)形振蕩器。本文在28 nm CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)了2種環(huán)形振蕩器的電路,振蕩頻率為2.5 GHz時(shí),相位噪聲分別為-99 dBc/Hz@1 MHz和-105 dBc/Hz@1 MHz,靈敏度值FoM(Figure of Merit)分別為163 dBc/Hz和164 dBc/Hz。

Figure 1 Conventional feedforward ring oscillator

Figure 2 Single-source feedforward ring oscillator

Figure 3 Dual-source feedforward ring oscillator

Figure 4 Effective ISF curves of three structures

Figure 5 Comparison of output waveforms of three structures

Figure 7 Comparison of FoM of three structures

Figure 8 Layout design and test results of single-source feedforward ring oscillator

2 前饋環(huán)形振蕩器

2.1 傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器

根據(jù)巴克豪森判據(jù)可以知道,具有偶數(shù)級的環(huán)形振蕩器無法產(chǎn)生非零頻率的振蕩信號，為了改變振蕩模式,需要引入輔助電路。如圖1所示,傳統(tǒng)的前饋環(huán)形振蕩器由8個(gè)反相器組成,其中4個(gè)大尺寸反相器首尾相接構(gòu)成直接路徑;另外4個(gè)小尺寸反相器分別將直接路徑每一級的輸入信號前饋到下一級的輸出,構(gòu)成前饋路徑。連接同一輸出節(jié)點(diǎn)的一個(gè)主路徑反相器和前饋路徑反相器構(gòu)成一個(gè)延遲單元,Vi-1到Vi的路徑為主路徑,Vi-2到Vi的路徑稱為前饋路徑。

在傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器中,主路徑對角線上的2個(gè)前饋路徑反相器構(gòu)成交叉耦合結(jié)構(gòu),打破輸入和輸出節(jié)點(diǎn)的平衡狀態(tài),保證環(huán)路不會鎖定到直流信號上。另外,在主路徑強(qiáng)度和前饋路徑強(qiáng)度之間的最大比率下可以實(shí)現(xiàn)最大振蕩頻率[8]。但是,一旦直接路徑強(qiáng)度遠(yuǎn)大于前饋路徑強(qiáng)度,環(huán)路將不能滿足起振條件。所以，如果要提高該前饋環(huán)形振蕩器的振蕩頻率,可以通過合理設(shè)計(jì)使比例因子α盡可能小。這種結(jié)構(gòu)存在的問題是，Vi-1和Vi-2存在90°的相移，它們對輸出Vi的共同作用效果并不一致，導(dǎo)致輸出波形上升沿和下降沿的速率變慢，使相位噪聲性能受到限制。

2.2 單源極前饋環(huán)形振蕩器

為了提高輸出波形的邊沿速率，在不改變傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器環(huán)路結(jié)構(gòu)的情況下,將前饋路徑的輸出直接耦合到主路徑NMOS的源極，此時(shí)仍然可以打破主路徑的平衡狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的單源極前饋環(huán)形振蕩器如圖2所示,其中圖2a是結(jié)構(gòu)框圖,圖2b是晶體管級電路設(shè)計(jì)。

在單源極前饋環(huán)形振蕩器中，INV1～I(xiàn)NV4是主路徑反相器,INV5～I(xiàn)NV8是前饋路徑反相器,Vo1、Vo2、Vo3和Vo4是振蕩器的輸出?？梢钥闯?主路徑每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)Voi將輸出信號通過反相器前饋到Voi+1節(jié)點(diǎn)下一個(gè)反相器的NMOS的源極。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振蕩信號會交替沿著主路徑和輔助路徑傳輸并疊加回到該節(jié)點(diǎn),以維持穩(wěn)定的振蕩。例如,當(dāng)Vo1從低電平變換到高電平時(shí),X1電位會降低,即MN2的源極電位降低;當(dāng)MN2的柵源電壓VGS高于閾值電壓VTHN時(shí),MN2開啟,又因?yàn)镸N5也處于開啟狀態(tài),Vo3電位降低;MP3隨之開啟,使Vo4由低電平變?yōu)楦唠娖?，至此?shí)現(xiàn)了由節(jié)點(diǎn)Vo1低到高的變化引起了節(jié)點(diǎn)Vo4低到高的變化的過程。同理,需要經(jīng)過3個(gè)這樣的過程,信號才會重新引起Vo1的變化,此時(shí)經(jīng)歷了振蕩信號的一個(gè)周期。所以，單源極前饋型振蕩器的前饋路徑僅控制NMOS管的通斷，以免與主路徑同時(shí)影響輸出。與傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器相比，該振蕩器提高了高低電平轉(zhuǎn)換的邊沿速率，大大優(yōu)化了振蕩器的相位噪聲。

2.3 雙源極前饋環(huán)形振蕩器

為了提高結(jié)構(gòu)的對稱性，可將輔助路徑連接到主路徑反相器的NMOS和PMOS的源極,使主路徑反相器的NMOS和PMOS管的工作狀態(tài)均受輔助路徑控制。設(shè)計(jì)的雙源極前饋環(huán)形振蕩器如圖3所示,其中圖3a是結(jié)構(gòu)框圖,圖3b是晶體管級電路設(shè)計(jì)。

與單源極前饋環(huán)形振蕩器不同的是,雙源極前饋環(huán)形振蕩器主路徑每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)Voi不僅將輸出信號通過反相器前饋到Voi+1節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)主路徑反相器的NMOS源極,同時(shí)還前饋到前一個(gè)反相器的PMOS源極。由于輸出節(jié)點(diǎn)的充放電都要受到前饋路徑控制,環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定振蕩需要經(jīng)歷更多的過程。例如,當(dāng)Vo1從低電平變換到高電平使Vo3電位降低后,MP3仍保持關(guān)閉狀態(tài),但是可以經(jīng)過反相器INV7使X3節(jié)點(diǎn)電位升高,當(dāng)X3節(jié)點(diǎn)電位升高到使MP3的柵源電壓大于閾值電壓VTHP時(shí),MP3導(dǎo)通,Vo4的電壓會從低電位轉(zhuǎn)換為高電位,到此才實(shí)現(xiàn)從Vo1的低到高變化引起Vo4的低到高的變化。同理,需要再經(jīng)過3個(gè)這樣的過程,才經(jīng)歷振蕩信號的一個(gè)周期。相對于單源極前饋型結(jié)構(gòu)，雙源極前饋型結(jié)構(gòu)雖然工作過程更復(fù)雜、輸出節(jié)點(diǎn)上的等效負(fù)載更大、達(dá)到相同的振蕩頻率消耗的電流更大，但是由于前饋路徑完全控制PMOS和NMOS，輸出波形上升沿和下降沿的對稱性得到提高，這對相位噪聲性能的提升是非常有利的。

3 相位噪聲分析

由于噪聲的相位調(diào)制效應(yīng),在輸出信號的頻譜上,載波附近會出現(xiàn)能量邊帶,這些邊帶對應(yīng)的頻率稱為偏移頻率相位噪聲，表示在一定偏移頻率處,邊帶的功率與載波功率的比值。在環(huán)形振蕩器中,器件的熱噪聲和閃爍噪聲共同決定了總體的相位噪聲,其中,閃爍噪聲在較低偏移頻率中占主導(dǎo),熱噪聲在較高偏移頻率中占主導(dǎo)。

Hajimiri等[10,11]提出的非線性時(shí)變模型精準(zhǔn)地評估了振蕩器的相位噪聲,用脈沖靈敏度函數(shù)ISF(Impulse Sensitivity Function)表征在振蕩信號的不同時(shí)刻對相位噪聲的影響,并給出了熱噪聲Lwhite和閃爍噪聲L1/f的表達(dá)式，如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

(3)

其中，hn是 IFS傅里葉展開后的系數(shù),T是周期，t是指時(shí)間。根據(jù)式(1)和式(3)可知,考慮熱噪聲時(shí),ISF的波形對相位噪聲起關(guān)鍵作用。然而熱噪聲被晶體管的跨導(dǎo)gm和漏源跨導(dǎo)gds調(diào)制成循環(huán)穩(wěn)態(tài)噪聲,所以一個(gè)周期內(nèi)有效ISF波形包絡(luò)的面積決定相位噪聲的大小，其中有效ISF表示為Γ(t)eff，由式(4)給出：

(4)

根據(jù)式(2)可知,ISF的直流分量決定了閃爍噪聲對相位噪聲的影響。圖4是3種前饋環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)的有效ISF,表1和表2分別列出了主路徑反相器的MN1和MP1的ISF的直流分量和歸一化后的相位噪聲值。

這個(gè)案例說明，把注意力投入在一件喜愛的事情上，是有療愈功效的。它能讓原本趨于混亂的精神能量變得有秩序，讓人重拾生活的熱情和意義。

Table 1 h0 of MN1 and MP1 in three structures

Table 2 Contribution of flicker noise to phase noise in MN1 and MP1

Table 3 Oscillator data comparison

從圖4可以看出,單源極前饋環(huán)形振蕩器和雙源極前饋環(huán)形振蕩器的有效ISF曲線的包絡(luò)面積均小于傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器的，所以前兩者熱噪聲影響的相位噪聲更小。從表1可以得到，雙源極前饋環(huán)形振蕩器的ISF直流分量h0大大減小,這正是因?yàn)閷⑤o助路徑前饋到主路徑反相器的2個(gè)源極,提高了振蕩信號的對稱性。與單源極環(huán)形振蕩器相比,表2中MP1和MN1的閃爍噪聲對相位影響的貢獻(xiàn)值至少降低到1/10。

4 3種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果與對比

基于28 nm CMOS工藝，本文實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)前饋型、單源極前饋型和雙源極前饋型3種結(jié)構(gòu)，仿真得到3種振蕩器的輸出波形。從圖5可以看出，單源極前饋環(huán)形振蕩器和雙源極前饋環(huán)形振蕩器的高低電平轉(zhuǎn)換的邊沿速率明顯高于傳統(tǒng)前饋型振蕩器，這與第2節(jié)的分析吻合。此外，雙源極前饋環(huán)形振蕩器的輸出信號擺幅明顯大于另外2種結(jié)構(gòu)的,其優(yōu)點(diǎn)是：一方面擺幅大使載波能量更高,在沒有增加晶體管噪聲影響的情況下,整體相位噪聲會更好；另一方面較大的擺幅會提高對來自電源和地的噪聲的抗干擾能力。

在保證3種結(jié)構(gòu)的電路尺寸基本相同的情況下，本文仿真了它們在不同振蕩頻率下，距離載波頻率1 MHz頻偏處的相位噪聲，仿真曲線如圖6所示。結(jié)果表明,相對于傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器，單源極前饋環(huán)形振蕩器的相位噪聲至少降低6 dB，而雙源極前饋型的相位噪聲性能至少降低12 dB。

FoM綜合考慮了功耗與噪聲的關(guān)系，是衡量振蕩器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其公式如式(5)所示：

(5)

其中,PN是相位噪聲，PDC是振蕩器的功耗，單位為mW。圖7是3種結(jié)構(gòu)的FoM對比，可以看出，單源極前饋環(huán)形振蕩器和雙源極前饋環(huán)形振蕩器的FoM比傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器的FoM提高了至少6 dB。

本文設(shè)計(jì)的單源極前饋環(huán)形振蕩器的版圖布局如圖8a所示，核心面積為0.018 mm×0.044 mm,將其應(yīng)用于SerDes中的鎖相環(huán)中，完成流片與測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)振蕩器的輸出頻率為2.5 GHz時(shí)，PLL在1 MHz頻率偏移處的相位噪聲為-90 dBc/Hz,在10 MHz頻率偏移處的相位噪聲達(dá)到-116 dBc/Hz。表3總結(jié)了一些已發(fā)表文獻(xiàn)的環(huán)形振蕩器的性能。由表3可知，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在相位噪聲、頻率和面積上更具優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文研究了傳統(tǒng)前饋環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)與噪聲性能，并基于28 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了2種新型的源極前饋環(huán)形振蕩器。分析發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，2種新結(jié)構(gòu)都能有效提高振蕩信號的高低電平的轉(zhuǎn)換速率，進(jìn)而降低熱噪聲和閃爍噪聲對相位噪聲的影響。其中雙源極前饋環(huán)形振蕩器具有更大電壓擺幅，且波形更具有對稱性，進(jìn)一步降低了閃爍噪聲的影響。仿真和測試結(jié)果表明，在2.5 GHz頻率下，2種源極前饋型結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相位噪聲優(yōu)化了至少6 dB,FoM值優(yōu)化了至少6 dB。與其他已發(fā)表文獻(xiàn)中的振蕩器相比，2種結(jié)構(gòu)更簡單且占用的芯片面積更小，更適用于基于PLL的SerDes系統(tǒng)。