Design of High-Performance CMOS Voltage-Controlled Oscillators

طراحی نوسانگرهای کنترل شده با ولتاژ CMOS با کارایی بالا یک چارچوب مدل‌سازی نویز فاز برای نوسان‌گرهای حلقه‌ای CMOS ارائه می‌دهد. تجزیه و تحلیل هر دو عملیات خطی و غیر خطی را در نظر می گیرد. این نشان می دهد که سوئیچینگ سریع ریل به ریل باید برای به حداقل رساندن نویز فاز انجام شود. علاوه بر این، در طراحی معمولی، نویز سوسو زدن در مدار بایاس به طور بالقوه می‌تواند بر نویز فاز در فرکانس‌های آفست پایین غالب شود. بنابراین، برای PLL های با پهنای باند باریک، تبدیل نویز برای مدارهای بایاس باید به حداقل برسد. ما ضریب Q موثر (Qeff) را برای نوسانگرهای حلقه تعریف می کنیم و افزایش آن را برای فرآیندهای CMOS با اندازه ویژگی های کوچکتر پیش بینی می کنیم. تجزیه و تحلیل نویز فاز ما از طریق نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری تأیید می‌شود.
صدای سوئیچینگ دیجیتالی که از طریق منبع تغذیه و بستر ترکیب می‌شود، معمولاً منبع اصلی لرزش ساعت است. بهبود تامین و ایمنی نویز بستر یک PLL در محیط‌های متخاصم مانند تراشه‌های ریزپردازنده که در آن میلیون‌ها گیت دیجیتال وجود دارد، یک کار چالش برانگیز است.

Design of High-Performance CMOS Voltage-Controlled Oscillators presents a phase noise modeling framework for CMOS ring oscillators. The analysis considers both linear and nonlinear operation. It indicates that fast rail-to-rail switching has to be achieved to minimize phase noise. Additionally, in conventional design the flicker noise in the bias circuit can potentially dominate the phase noise at low offset frequencies. Therefore, for narrow bandwidth PLLs, noise up conversion for the bias circuits should be minimized. We define the effective Q factor (Qeff) for ring oscillators and predict its increase for CMOS processes with smaller feature sizes. Our phase noise analysis is validated via simulation and measurement results.
The digital switching noise coupled through the power supply and substrate is usually the dominant source of clock jitter. Improving the supply and substrate noise immunity of a PLL is a challenging job in hostile environments such as a microprocessor chip where millions of digital gates are present.