CN117054847B - 一种评估vco相位噪声灵敏度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估VCO相位噪声灵敏度的方法，包括以下步骤：S1，利用仿真软件测量振荡器单元VCO模块的本征RMS_Jitter1；S2，对目标元器件并联电流源器件，并进行PSS+Pnoise仿真，得到RMS_Jitter2；S3，对不同位置的目标元器件分别并联电流源器件，得到RMS_Jitter3、……RMS_JitterN；S4，将RMS_Jitter2、RMS_Jitter3、……RMS_JitterN分别与RMS_Jitter1的值进行比较，找到对晶体管影响最大的目标元器件，对此目标元器件进行优化。使用该仿真方法简单，可以找到不同VCO架构中不同器件噪声对RMS_Jitter的恶化影响程度，并且可以针对性的进行相位噪声优化，提供了具体电路的相位噪声优化方向，具备一定的工程价值。

Description

一种评估VCO相位噪声灵敏度的方法
技术领域
本发明属于VCO（压控振荡器）技术领域，具体是一种评估VCO晶体管器件对相位噪声灵敏度的方法。
背景技术
VCO是许多通信、无线电、雷达、传感和测量系统的关键元件。VCO的相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数，它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。频率稳定度分为两个方面：长期稳定度和短期稳定度，其中，短期稳定度在时域内用均方根抖动（RMS_Jitter）来表示，在频域内用相位噪声（Phase noise）来表示。
Ali Hajimiri和Lesson均对相位噪声建模进行了一定的研究，其中Ali Hajimiri的相位噪声理论具备一定的工程指导意义，该理论考虑了振荡器的时变特性，提出了脉冲灵敏度函数（ISF）。ISF函数的出现一定程度上解释了相位噪声内在机理，但在工程实践中较难直接给出具体优化的调试措施。
Ali Hajimiri的相位噪声理论提出，振荡器中的每一个晶体管产生的噪声电流都会对相位噪声产生影响，目前基于PSS+PXF仿真，可以对ISF函数的傅里叶分量幅值进行仿真分析。但是仿真过程较为复杂，且仿真结果与工程实践过程中的调试并无直接指导意义，较难指导于相位噪声的优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿真测试方法，该仿真过程简单，该方法的结果可以直接服务于工程实践，直接指导电路优化，进而优化振荡器相位噪声性能。
为实现上述目的，本发明一种评估VCO相位噪声灵敏度的方法，包括以下步骤，
S1，利用仿真软件测量振荡器单元VCO模块的本征均方根抖动RMS_Jitter1；
S2，对目标元器件并联电流源器件，并进行PSS+Pnoise仿真，得到RMS_Jitter2；
S3，对不同位置的目标元器件分别并联电流源器件，得到RMS_Jitter3、……RMS_JitterN；
S4，将RMS_Jitter2、RMS_Jitter3、……RMS_JitterN分别与RMS_Jitter1的值进行比较，找到对整个振荡器单元影响最大的目标元器件，并对此目标元器件进行优化。
所述电流源器件是交流电流源isin器件或是电压控制型电流源VCCS。
所述isin器件的频率是振荡器频率。
所述目标元器件是PMOS管或NMOS管。
所述振荡器单元包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第三NMOS管M5，交叉耦合的第一PMOS管M1和第二PMOS管M2漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，栅极分别接差分输出Vo+和Vo-，源极共同接电压源Vdd；第一NMOS管M3和第二NMOS管M4组成差分对管，其栅极分别接差分输入Vi+和Vi-，其漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，其源极相接并与第三NMOS管M5的漏极相连；第三NMOS管M5的栅极接电压源Vb，源极接地。
电流源器件并联在PMOS管或NMOS管的源极和漏极之间。
并联isin器件用于测试单个频率噪声下对目标源器件相位噪声的影响。
并联VCCS用于测试全频带噪声下对目标源器件相位噪声的影响。
与现有技术相比，本发明直接利用仿真软件分别测量振荡器单元本征RMS_Jitter1和并联电流源器件后产生的RMS_JitterN，仿真过程简单，通过对比RMS_Jitter1和RMS_JitterN的值，得到不同位置噪声电流对相位噪声的映射关系，RMS_Jitter的恶化程度直接反应了振荡器单元与不同位置目标元器件噪声的关系，进而对噪声敏感的目标元器件进行优化，进一步的可以对噪声敏感的目标元器件进行特别的版图优化；使用该方法可以找到不同VCO架构中不同器件噪声对RMS_Jitter的恶化影响程度，并且可以针对性的进行相位噪声优化。
附图说明
图1是本发明方法示意图。
图2是本发明实施例振荡器单元电路示意图。
图3是本发明中在振荡器单元第二PMOS管M2处并联isin器件电路示意图。
图4是本发明中在振荡器单元第二NMOS管M4处并联isin器件电路示意图。
图5是本发明中在振荡器单元第三NMOS管M5处并联isin器件电路示意图。
图6是VCCS电路示意图。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
时钟抖动表征了时钟信号的边沿相对于理想情况边沿的偏移情况。通常使用均方根抖动（RMS_Jitter）来表征时域的时钟抖动性能，长期观测时钟抖动可以发现时钟抖动呈正态分布。RMS_Jitter为正态分布中的标准差σ，3σ原则指出时钟有68.26%的概率出现RMS_Jitter，因此用RMS_Jitter衡量时钟信号的质量，不断优化VCO的相位噪声性能本质上是在不断缩小RMS_Jitter，使得实际输出的时钟接近于理想时钟。
如图1所示，本发明一种评估VCO相位噪声灵敏度的方法，包括以下步骤，
S1，利用仿真软件测量振荡器单元VCO模块的本征RMS_Jitter1；
S2，对目标元器件并联电流源器件，并进行PSS+Pnoise仿真，得到RMS_Jitter2；
S3，对不同位置的目标元器件分别并联电流源器件，得到RMS_Jitter3、……RMS_JitterN；
N是与目标元器件的个数有关的一个整数；
S4，将RMS_Jitter2、RMS_Jitter3、……RMS_JitterN分别与RMS_Jitter1的值进行比较，找到对整个振荡器单元影响最大的目标元器件，对此目标元器件进行优化。
目标元器件是振荡器单元中的PMOS管或NMOS管。
为了找出振荡器单元内部的不同目标元器件对相位噪声的影响，在不同位置的目标元器件上分别并联电流源器件，电流源器件是交流电流源isin器件或是电压控制型电流源VCCS。
使用isin器件时，isin器件的频率是振荡器频率，用于考虑单个频率下对于相位噪声的影响。
如图6所示，VCCS控制电压取电阻电压，由于电阻断路，无直流电平，不影响直流工作点；但是可以取出电阻噪声经过VCCS转化为噪声电流加载在对应器件两端，这种方法的好处在于可以考虑全频带噪声的影响，因为理论上噪声的频带是无限宽的。
以图2所示的振荡器单元为例，来说明本发明的具体实施方式。但不局限于此结构振荡器，其他结构振荡器亦可。
如图2所示，振荡器单元包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第三NMOS管M5，交叉耦合的第一PMOS管M1和第二PMOS管M2漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，栅极分别接差分输出Vo+和Vo-，源极共同接电压源Vdd；第一NMOS管M3和第二NMOS管M4组成差分对管，其栅极分别接差分输入Vi+和Vi-，其漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，其源极相接并与第三NMOS管M5的漏极相连；第三NMOS管M5的栅极接电压源Vb，源极接地。
下面以并联电流源器件是isin器件为例，来进一步说明本方法。
S1，利用仿真软件PSS+Pnoise测量如图2所示的振荡器单元的本征RMS_Jitter1；
S2，如图3所示，将isin器件并联在第二PMOS管M2的源极和漏极之间，并进行PSS+Pnoise仿真，得到此时振荡器单元的RMS_Jitter2；
S3，如图4所示，在第二NMOS管M4的源极和漏极之间并联isin器件，进行PSS+Pnoise仿真，得到RMS_Jitter3；如图5所示，在第三NMOS管M5的原级和漏极之间并联isin器件，进行PSS+Pnoise仿真，得到RMS_Jitter4；
S4，将RMS_Jitter2、RMS_Jitter3、RMS_Jitter4的值分别与RMS_Jitter1值进行比较，找到对晶体管影响最大的目标元器件，并对此目标元器件进行优化。
例如，通过比较发现RMS_Jitter3的值与RMS_Jitter1值对比差别最大，那么可以确定第二NMOS管M4对整个振荡器单元的相位噪声影响最大，因此可以对M4的晶体管尺寸进行调整，来减少对振荡器单元的相位噪声的影响。
通过在不同位置的目标元器件下并联isin器件，可以测得对RMS_Jitter的恶化程度均不同，因此可以得到振荡器对哪些晶体管的噪声敏感，哪些不敏感，从而对晶体管的尺寸选取和噪声优化产生指导意义，本方法将目标元器件噪声对最终RMS_Jitter的敏感性直接关联，这样可以直接指导振荡器的尺寸调试，对噪声敏感的晶体管可以更加精确的设计。本发明方法仿真过程简单，适用性广，可适用于各种振荡器单元，能够优化振荡器的本征噪声性能，对工程实践中的调试具有直接指导意义。

Claims (1)

1.一种评估VCO相位噪声灵敏度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用仿真软件测量振荡器单元VCO模块的本征均方根抖动RMS_Jitter1；
S2，对目标元器件并联电流源器件，并进行PSS+Pnoise仿真，得到均方根抖动RMS_Jitter2；
S3，对不同位置的目标元器件分别并联电流源器件，得到均方根抖动RMS_Jitter3、……RMS_JitterN；
S4，将RMS_Jitter2、RMS_Jitter3、……RMS_JitterN分别与RMS_Jitter1的值进行比较，找到差别最大的，确定此对应的目标元器件对整个振荡器单元的相位噪声影响最大，并对此目标元器件进行优化；
所述电流源器件是交流电流源isin器件或是电压控制型电流源VCCS；
所述isin器件的频率是振荡器频率；
所述目标元器件是PMOS管或NMOS管；
所述振荡器单元包括第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第三NMOS管M5，交叉耦合的第一PMOS管M1和第二PMOS管M2漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，栅极分别接差分输出Vo+和Vo-，源极共同接电压源Vdd；第一NMOS管M3和第二NMOS管M4组成差分对管，其栅极分别接差分输入Vi+和Vi-，其漏极分别接差分输出Vo-和Vo+，其源极相接并与第三NMOS管M5的漏极相连；第三NMOS管M5的栅极接电压源Vb，源极接地；
电流源器件并联在PMOS管或NMOS管的源极和漏极之间；
并联isin器件用于测试单个频率噪声下对目标源器件相位噪声的影响；
并联VCCS用于测试全频带噪声下对目标元器件相位噪声的影响。
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