KR102490350B1 - Low-flicker-noise digital phase-locked loop using a proportional- and integral-gain co-optimization - Google Patents

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Abstract

비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프 회로 및 그 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프 회로는 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter), OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) 및 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기를 포함한다. A digital phase-locked loop circuit with low flicker noise characteristics using proportional and integral gain joint optimization and its operating method are presented. The digital phase-locked loop circuit having low flicker noise characteristics using proportional and integral gain co-optimization proposed in the present invention is an OS TDC (Optimally- Spaced Time-to-Digital Converter), loop proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) to reduce output jitter by removing flicker noise and thermal noise by receiving quantized timing error from OS TDC Including PICO (Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) that simultaneously adjusts PICO and a digitally controlled oscillator that controls the output frequency using the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) adjusted by PICO. do.

Description

비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프{Low-flicker-noise digital phase-locked loop using a proportional- and integral-gain co-optimization}Low-flicker-noise digital phase-locked loop using a proportional- and integral-gain co-optimization}

본 발명은 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프에 관한 것이다. The present invention relates to a digital phase locked loop with low flicker noise characteristics using proportional and integral gain joint optimization.

링-타입 디지털 제어 발진기(Ring-type Digitally-Controlled Oscillator; RDCO)를 기반으로 하는 디지털 위상 고정 루프(Digital Phase-Locked Loops; DPLL)는 높은 면적 효율성, 새로운 CMOS 프로세스에 대한 확장성 및 루프 특성 보정의 용이성과 같이 아날로그 제품에 비해 많은 이점을 제공한다[1]. RDCO DPLL에서 낮은 지터 성능을 달성하기 위한 핵심 과제는 DCO의 타이밍 에러를 감지하고 수정하는 방법이다. 이러한 타이밍 에러를 양자화하기 위해, TDC(Time-to-Digital Converter)가 DPLL 설계에 가장 일반적으로 사용된다. TDC의 해상도가 높을수록 양자화 에러가 낮아진다. 양자화 에러를 최소화하기 위한 무차별 대입(brute-force) 접근 방식은 TDC의 시간 임계 값 사이의 간격을 지터의 양을 구별할 수 있는 수준으로 무조건 줄이는 것이다. 하지만 이것은 넓은 다이나믹 레인지를 충분히 커버하기 위해 많은 수의 시간 임계 값을 필요로 하여 전력 소비를 크게 증가시킨다[2].Digital Phase-Locked Loops (DPLLs) based on Ring-type Digitally-Controlled Oscillators (RDCOs) offer high area efficiency, scalability to new CMOS processes, and loop characteristic correction. It offers many advantages over analog products, such as ease of use [1]. A key challenge to achieving low jitter performance in RDCO DPLLs is how to detect and correct the DCO's timing errors. To quantize this timing error, a time-to-digital converter (TDC) is most commonly used in DPLL design. The higher the resolution of the TDC, the lower the quantization error. A brute-force approach to minimizing the quantization error is to unconditionally reduce the interval between the time thresholds of the TDC to a level at which the amount of jitter is distinguishable. However, it requires a large number of time thresholds to sufficiently cover a wide dynamic range, greatly increasing power consumption [2].

도 1은 종래기술에 따른 비례 이득 최적화를 사용하는 RDCO 기반 DPLL을 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating an RDCO-based DPLL using proportional gain optimization according to the prior art.

고해상도 TDC 설계에서 출력 지터 성능과 전력 소비 간의 이러한 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 종래기술[2]-[4]는 도 1에 도시된 바와 같이 뱅뱅 위상 검출기(Bang-Bang Phase Detector; BBPD)와 루프의 비례 이득 KP 의 백그라운드 최적화를 사용하는 지터 최소화 기술을 제시한다. 이 접근 방식은 저전력 설계에 매우 효과적이지만 BBPD에서 얻은 타이밍 에러 정보가 너무 작은 이진 값이기 때문에 출력 지터를 줄이는 데 한계가 있다는 문제가 있다. 이 한계를 극복하고 출력 지터를 줄이기 위해 [5]는 3 개의 병렬 BBPD를 사용하는 지터 최소화 기술을 제시했으며, 각각은 상이한 시간 임계 값인

Figure 112021023815219-pat00001
를 갖는다.
Figure 112021023815219-pat00002
들 간의 최적의 간격을 유지하고(무조건적으로 줄이는 대신) KP를 보정함으로써 [5]의 RDCO DPLL은 지터를 크게 줄이는 데 성공했다. 이러한 성과에도 불구하고 이전 DPLL [2]-[5]은 RDCO의 지터가 플리커 노이즈(flicker noise)를 무시하고 순전히 "백색" 가우시안이라는 잘못된 가정을 기반으로 KP 만 최적화하기 때문에 지터를 최소화하는 데 근본적인 한계가 있다. 하지만 열 노이즈(thermal noise)와는 달리 플리커 노이즈의 에너지는 DC 근처의 저주파 오프셋에 집중되고 그 효과는 시간에 따른 RDCO 주파수의 랜덤 드리프트(random drift)로 나타난다[6]. 따라서, 플리커 노이즈를 억제하고 전체 지터를 더욱 줄이려면, KP 뿐만 아니라 적분 경로의 이득 KI 및 의 이득을 조정하여 플리커-유도 주파수 드리프트(fD)를 보정해야 한다.In order to avoid this tradeoff between output jitter performance and power consumption in high-resolution TDC design, the prior art [2]-[4] uses a Bang-Bang Phase Detector (BBPD) as shown in FIG. We present a jitter minimization technique using background optimization of the loop's proportional gain K P . This approach is very effective for low-power designs, but has limitations in reducing output jitter because the timing error information obtained from BBPD is too small for binary values. To overcome this limitation and reduce the output jitter, [5] presented a jitter minimization technique using three parallel BBPDs, each with a different time threshold,
Figure 112021023815219-pat00001
have
Figure 112021023815219-pat00002
By maintaining the optimal spacing between them (instead of reducing them unconditionally) and correcting K P , the RDCO DPLL in [5] succeeded in significantly reducing the jitter. Despite these achievements, previous DPLLs [2]-[5] have struggled to minimize jitter because the jitter of RDCO ignores flicker noise and only optimizes KP based on the false assumption that it is purely a "white" Gaussian. There are fundamental limitations. However, unlike thermal noise, the energy of flicker noise is concentrated in the low-frequency offset near DC, and the effect appears as a random drift of the RDCO frequency with time [6]. Therefore, to suppress the flicker noise and further reduce the overall jitter, the flicker-induced frequency drift (f D ) must be corrected by adjusting the gain of K P as well as the gain of K I and the integral path.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 플리커 노이즈가 심한 고출력 주파수에서도 초저 지터 성능을 달성할 수 있는 RDCO DPLL을 제안한다. RDCO의 지터가 백색 열 노이즈라는 잘못된 가정을 기반으로 비례 경로 이득 만을 최적화하는 기존 DPLL의 한계를 극복하기 위해 본 발명에서는 비례 경로 이득 및 적분 경로 이득을 동시에 최적화하는 PICO를 제안한다.A technical problem to be achieved by the present invention proposes an RDCO DPLL capable of achieving ultra-low jitter performance even at a high output frequency with severe flicker noise. In order to overcome the limitations of conventional DPLLs that optimize only the proportional path gain based on the erroneous assumption that the jitter of RDCO is white thermal noise, the present invention proposes a PICO that simultaneously optimizes the proportional path gain and the integral path gain.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프 회로는 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter), OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) 및 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기를 포함한다. In one aspect, a digital phase-locked loop circuit having low flicker noise characteristics using proportional and integral gain co-optimization proposed in the present invention acquires timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizes the timing error. OS TDC (Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter), the proportional path gain (K P ) and integral path of the loop to reduce output jitter by receiving the quantized timing error from the OS TDC and removing flicker noise and thermal noise PICO (Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) that simultaneously adjusts the gain (K I ) and controls the output frequency using the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) adjusted by PICO It includes a digitally controlled oscillator.

OS TDC는 출력 지터 성능과 전력 소비 간의 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 복수의 BBPD(Bang-Bang Phase Detector)를 포함하고, 복수의 BBPD에서 획득한 타이밍 에러 정보의 이진 값을 이용하여 출력 지터를 감소시키기 위해 복수의 BBPD 각각은 상이한 시간 임계 값을 갖는다. The OS TDC includes multiple BBPDs (Bang-Bang Phase Detectors) to avoid the tradeoff between output jitter performance and power consumption, and output jitter is determined using binary values of timing error information obtained from the multiple BBPDs. To reduce, each of the plurality of BBPDs has a different time threshold.

PICO는 루프 안정성 저하로 인해 발생하는 지터 피킹을 방지하여 위해 출력 지터를 감소시키고, 위상 노이즈를 줄이기 위한 위상 마진을 달성하도록 하는 루프의 비례 경로 이득(KP)과 루프의 적분 경로 이득(KI)을 제어한다. PICO reduces output jitter by avoiding jitter peaking caused by loop stability deterioration, and the proportional path gain of the loop (K P ) and the integral path gain of the loop (K I to achieve phase margin to reduce phase noise). ) to control.

PICO는 백색 열 노이즈(white thermal noise)로 인한 영향을 억제하기 위해 루프의 현재 주기와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 비례 경로 이득(KP)을 최적화하여 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP)를 생성한다. To suppress the effects of white thermal noise, PICO optimizes the proportional path gain (K P ) of the loop so that the timing errors detected in the current cycle and the next cycle of the loop are not correlated, resulting in a proportional path gain. Generates a digital code (D KP ) that determines (K P ).

PICO는 플리커 노이즈로 인한 영향을 억제하기 위해 현재 주기의 플리커-유도 주파수 드리프트(flicker-induced frequency drifts)와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 적분 경로 이득(KI)을 최적화하여 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. To suppress the effects of flicker noise, PICO adjusts the integral path gain (K I ) of the loop so that flicker-induced frequency drifts in the current cycle do not correlate with timing errors detected in the next cycle. Optimize to generate a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I ).

OS TDC는 기준 신호와 루프의 피드백 신호 간의 타이밍 에러를 양자화하고 루프의 비례 경로 및 루프의 적분 경로로 구성되는 DLF(Digital Loop Filter)에 양자화된 신호를 제공한다. The OS TDC quantizes the timing error between the reference signal and the feedback signal of the loop and provides the quantized signal to a digital loop filter (DLF) composed of a proportional path of the loop and an integral path of the loop.

PICO는 DLF 후, 비례 경로 및 적분 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 비례 경로 지연과 적분 경로 지연을 디지털 제어 발진기에 별도로 공급하고, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 영향을 억제하도록 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP) 및 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. After the DLF, PICO separately supplies the proportional and integral path delays to the digitally controlled oscillator to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the proportional and integral paths, and eliminates the effect of output jitter due to the additional loop delay. Generates a digital code (D KP ) that determines the proportional path gain (K P ) and a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I ) to suppress.

PICO는 비례 경로 이득을 결정하는 디지털 코드와 적분 경로 이득을 결정하는 디지털 코드의 수렴을 보장하기 위해 적분 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭은 비례 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭 보다 작게 설정되고, 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 적분 경로의 대역폭을 더욱 작게 제한한다. In PICO, the bandwidth of the loop for calibrating the integral path gain is set smaller than the bandwidth of the loop for calibrating the proportional path gain to ensure convergence of the digital code for determining the proportional path gain and the digital code for determining the integral path gain. , using an additional frequency acquisition path with a limiter to limit the bandwidth of the integration path to a smaller size.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 이용해 저 플리커 노이즈 특성을 갖는 디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법은 OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter)가 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 단계, PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO)를 통해 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 단계 및 디지털 제어 발진기가 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 단계를 포함한다.In another aspect, a method of operating a digital phase-locked loop circuit having low flicker noise characteristics using proportional and integral gain co-optimization proposed in the present invention is an OS TDC (Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter) phase Acquiring timing error information for flicker noise removal through a detector and quantizing the timing error, receiving the quantized timing error from the OS TDC through PICO (Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) to obtain flicker noise and thermal noise simultaneously adjusting the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) of the loop to reduce output jitter by eliminating and controlling the output frequency using the path gain (K I ).

본 발명의 실시예들에 따른 RDCO DPLL을 통해 플리커 노이즈가 심한 고출력 주파수에서도 초저 지터 성능을 달성할 수 있다. RDCO의 지터가 백색 열 노이즈라는 잘못된 가정을 기반으로 비례 경로 이득 만을 최적화하는 기존 DPLL의 한계를 극복하기 위해 본 발명에서는 비례 경로 이득 및 적분 경로 이득을 동시에 최적화하는 PICO를 제안한다. 제안하는 RDCO DPLL은 PICO을 통해 플리커 노이즈와 열 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다.Ultra-low jitter performance can be achieved even at a high output frequency with severe flicker noise through the RDCO DPLL according to embodiments of the present invention. In order to overcome the limitations of conventional DPLLs that optimize only the proportional path gain based on the erroneous assumption that the jitter of RDCO is white thermal noise, the present invention proposes a PICO that simultaneously optimizes the proportional path gain and the integral path gain. The proposed RDCO DPLL can effectively remove flicker noise and thermal noise through PICO.

도 1은 종래기술에 따른 비례 이득 최적화를 사용하는 RDCO 기반 DPLL을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 KI를 갖는 RDCO의 위상 노이즈 억제를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 KI와 KP가 최적으로 설정된 PICO에서 사용되는 두 개의 루프 이득 최적화 원칙을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 KI와 KP가 최적으로 설정된 PICO의 경로를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DPLL과 PICO의 전체 아키텍처를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 NTDC를 사용한 최소 달성 가능한 RMS 지터

Figure 112021023815219-pat00003
의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL 회로의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 RDCO DPLL의 다이 현미경 사진 및 전력 소비를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정된 위상 노이즈 및 출력 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 신호의 측정된 스펙트럼 및 위상 노이즈를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 최첨단 링 오실레이터 기반 주파수 합성기와의 성능 비교를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating an RDCO-based DPLL using proportional gain optimization according to the prior art.
2 is a diagram illustrating a RDCO based DPLL circuit with proportional and integral gain joint optimization according to one embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining phase noise suppression of RDCOs having different KIs according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating two loop gain optimization principles used in PICO in which KI and KP are optimally set according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram for explaining a PICO path in which K I and K P are optimally set according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing the entire architecture of DPLL and PICO according to an embodiment of the present invention.
7 is a minimum achievable RMS jitter using NTDC according to an embodiment of the present invention.
Figure 112021023815219-pat00003
It is a diagram showing the change of
8 is a flowchart illustrating an operating method of an RDCO-based DPLL circuit with proportional and integral gain joint optimization according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing a die micrograph and power consumption of an RDCO DPLL according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing measured phase noise and output spectrum according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing measured spectrum and phase noise of an output signal according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing performance comparison with a state-of-the-art ring oscillator-based frequency synthesizer according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL 회로를 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a RDCO based DPLL circuit with proportional and integral gain joint optimization according to one embodiment of the present invention.

제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL는 OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter), PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) 및 디지털 제어 발진기를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 디지털 제어 발진기는 링-타입 디지털 제어 발진기(Ring-type Digitally-Controlled Oscillator; RDCO)일 수 있다. The proposed DPLL based on RDCO with proportional and integral gain co-optimization includes OS Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter (TDC), Proportional and integral gain Co-Optimization (PICO) and digitally controlled oscillator. A digitally controlled oscillator according to an embodiment of the present invention may be a ring-type digitally-controlled oscillator (RDCO).

OS TDC는 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화한다. OS TDC는 출력 지터 성능과 전력 소비 간의 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 복수의 BBPD(Bang-Bang Phase Detector)를 포함하고, 복수의 BBPD에서 획득한 타이밍 에러 정보의 이진 값을 이용하여 출력 지터를 감소시키기 위해 복수의 BBPD 각각은 상이한 시간 임계 값을 갖는다. The OS TDC obtains timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizes the timing error. The OS TDC includes multiple BBPDs (Bang-Bang Phase Detectors) to avoid the tradeoff between output jitter performance and power consumption, and output jitter is determined using binary values of timing error information obtained from the multiple BBPDs. To reduce, each of the plurality of BBPDs has a different time threshold.

PICO는 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정한다. PICO receives the quantized timing error from the OS TDC and simultaneously adjusts the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) of the loop to reduce output jitter by removing flicker noise and thermal noise.

PICO는 루프 안정성 저하로 인해 발생하는 지터 피킹을 방지하여 위해 출력 지터를 감소시키고, 위상 노이즈를 줄이기 위한 위상 마진을 달성하도록 하는 루프의 비례 경로 이득(KP)과 루프의 적분 경로 이득(KI)을 제어한다. PICO reduces output jitter by avoiding jitter peaking caused by loop stability deterioration, and the proportional path gain of the loop (K P ) and the integral path gain of the loop (K I to achieve phase margin to reduce phase noise). ) to control.

PICO는 백색 열 노이즈(white thermal noise)로 인한 영향을 억제하기 위해 루프의 현재 주기와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 비례 경로 이득(KP)을 최적화하여 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP)를 생성한다. To suppress the effects of white thermal noise, PICO optimizes the proportional path gain (K P ) of the loop so that the timing errors detected in the current cycle and the next cycle of the loop are not correlated, resulting in a proportional path gain. Generates a digital code (D KP ) that determines (K P ).

PICO는 플리커 노이즈로 인한 영향을 억제하기 위해 현재 주기의 플리커-유도 주파수 드리프트(flicker-induced frequency drifts)와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 적분 경로 이득(KI)을 최적화하여 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. To suppress the effects of flicker noise, PICO adjusts the integral path gain (K I ) of the loop so that flicker-induced frequency drifts in the current cycle do not correlate with timing errors detected in the next cycle. Optimize to generate a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I ).

OS TDC는 기준 신호와 루프의 피드백 신호 간의 타이밍 에러를 양자화하고 루프의 비례 경로 및 루프의 적분 경로로 구성되는 DLF(Digital Loop Filter)에 양자화된 신호를 제공한다. 이때, PICO는 DLF 후, 비례 경로 및 적분 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 비례 경로 지연과 적분 경로 지연을 디지털 제어 발진기에 별도로 공급하고, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 영향을 억제하도록 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP) 및 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. The OS TDC quantizes the timing error between the reference signal and the feedback signal of the loop and provides the quantized signal to a digital loop filter (DLF) composed of a proportional path of the loop and an integral path of the loop. At this time, PICO separately supplies the proportional path delay and the integral path delay to the digital control oscillator in order to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the proportional path and the integral path after the DLF, and reduces the output jitter caused by the additional loop delay. A digital code (D KP ) for determining the proportional path gain (K P ) and a digital code (D KI ) for determining the integral path gain (K I ) are generated to suppress the influence.

PICO는 비례 경로 이득을 결정하는 디지털 코드와 적분 경로 이득을 결정하는 디지털 코드의 수렴을 보장하기 위해 적분 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭은 비례 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭 보다 작게 설정하고, 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 적분 경로의 대역폭을 더욱 작게 제한한다. PICO sets the bandwidth of the loop for calibrating the integral path gain to be smaller than the bandwidth of the loop for calibrating the proportional path gain to ensure convergence of the digital code for determining the proportional path gain and the digital code for determining the integral path gain. , using an additional frequency acquisition path with a limiter to limit the bandwidth of the integration path to a smaller size.

RDCO는 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어한다. 이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여 제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL에 대하여 더욱 상세히 설명한다. RDCO controls the output frequency using the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) adjusted by PICO. Hereinafter, the proposed RDCO-based DPLL with joint optimization of proportional and integral gains will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 8 .

본 발명의 실시예에 따르면, 도 2와 같이 KP와 KI를 동시에 최적화하여 플리커와 열 노이즈를 제거할 수 있는 초저 지터(ultra-low-jitter) RDCO DPLL을 제안한다. 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러에 대하여 보다 정확한 정보를 얻기 위해, 최적 간격 TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter; OS TDC)[5]에 대해 7 개의 BBPD가 사용된다, 즉, NTDC = 7(NTDC의 값이 선택되는 방법은 아래에서 설명한다).

Figure 112021023815219-pat00004
간의 모든 간격은
Figure 112021023815219-pat00005
교정기에 의해 제어되는 DTC(Digital-to-Time Converters)를 사용하여 백그라운드에서 최적화된다. According to an embodiment of the present invention, an ultra-low-jitter RDCO DPLL capable of removing flicker and thermal noise by simultaneously optimizing K P and K I as shown in FIG. 2 is proposed. In order to obtain more accurate information about the timing error for flicker noise cancellation, 7 BBPDs are used for optimally spaced Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter (TDC) [5], i.e., N TDC = 7 (how the value of N TDC is selected is described below).
Figure 112021023815219-pat00004
All intervals between
Figure 112021023815219-pat00005
It is optimized in the background using digital-to-time converters (DTCs) controlled by the calibrator.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 KI를 갖는 RDCO의 위상 노이즈 억제를 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining phase noise suppression of RDCOs having different KIs according to an embodiment of the present invention.

도 3은 서로 다른 KI 값에 대해 타입-II DPLL의 루프에서 서로 다른 RDCO 위상 노이즈(Phase-Noise; PN) 억제 메커니즘을 보여준다. 시뮬레이션에서는, RDCO의 노이즈 프로파일에서 20MHz의 코너 주파수(즉, 1/f 코너 주파수)를 갖는 플리커 노이즈를 고려하여 약 40MHz의 넓은 루프 대역폭을 달성하도록 KP를 설정한다. 대역폭이 동일하더라도 RDCO의 PN을 억제하는 DPLL의 기능은 KI의 변화에 따라 크게 달라진다. KI 값이 매우 작을 경우(도 3의 310 루프 이득의 제로가 너무 낮은 주파수에서 나타나기 때문에 40dB/dec-PN 감소 성능은 저주파 오프셋에서만 유효하다. 이 경우, 플리커 노이즈는 중간 주파수 오프셋에서 억제될 수 없으므로 DPLL의 대역 내 PN을 포화시킨다. KI 값이 증가함에 따라 제로의 위치는 더 높은 주파수로 이동한다; 따라서 40dB/dec-PN 감소는 더 높은 오프셋에서도 효과적이다. 하지만 KI가 너무 커질 경우(도 3의 320), 루프 안정성 저하로 인해 심각한 지터 피킹이 발생하여 전체 지터가 증가한다. 마지막으로 KI가 최적으로 설정되는 경우(도 3의 330), PLL은 최소 출력 지터와 충분히 넓은 위상 마진을 달성할 수 있다. Figure 3 shows different RDCO phase-noise (PN) suppression mechanisms in the loop of type- II DPLL for different values of KI. In the simulation, K P is set to achieve a wide loop bandwidth of about 40 MHz by considering flicker noise with a corner frequency of 20 MHz (ie, 1/f corner frequency) in the noise profile of RDCO. Even if the bandwidth is the same, the DPLL's ability to suppress the PN of RDCO varies greatly with changes in K I . When the K I value is very small (since the zero of the loop gain of 310 in Fig. 3 appears at too low frequencies, the 40dB/dec-PN reduction performance is only effective at low frequency offsets. In this case, flicker noise can be suppressed at mid-frequency offsets. saturates the DPLL's in-band PN as the value of K I increases, the position of the zero shifts to higher frequencies; thus a 40dB/dec-PN reduction is effective at higher offsets, but if K I becomes too large (320 in Fig. 3), severe jitter peaking occurs due to loop stability deterioration, which increases overall jitter Finally, when K I is set optimally (330 in Fig. 3), the PLL has minimum output jitter and a sufficiently wide phase. margin can be achieved.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 KI와 KP가 최적으로 설정된 PICO에서 사용되는 두 개의 루프 이득 최적화 원칙을 나타내는 도면이다. FIG. 4 is a diagram illustrating two loop gain optimization principles used in PICO in which K I and K P are optimally set according to an embodiment of the present invention.

원칙 ①은 현재 주기

Figure 112021023815219-pat00006
과 다음 주기
Figure 112021023815219-pat00007
에서 감지된 타이밍 에러가 상관 관계가 없도록 KP를 최적화하는 것이다(즉, 자기 상관
Figure 112021023815219-pat00008
= 0, 여기서 TREF 기준 주기이다). 원칙 ①을 준수하면 "백색" 열 노이즈를 억제할 수 있지만 플리커 노이즈의 영향을 완전히 제거할 수는 없다. 현재 주기의 fD 인 fD[n]이
Figure 112021023815219-pat00009
에 영향을 미치는 것을 방지하려면 원칙 ②도 충족되어야 한다. fD[n-1], fD[n-2] 등 과의 상관 관계를 확인하는 것은 이론적으로 필요하지만 전체 지터의 추가적인 감소에 대한 실제 영향은 무시할 수 있다. 원칙 ①에서 KP를 최적화하면 원칙 ②의 마지막 방정식의 첫 번째 항이 0이므로 2TREF마다
Figure 112021023815219-pat00010
의 자기 상관이 0, 즉
Figure 112021023815219-pat00011
= 0이되도록 KI를 최적화하여 원칙 ②의 조건을 만족할 수 있다. Principle ① is the current cycle
Figure 112021023815219-pat00006
and next cycle
Figure 112021023815219-pat00007
to optimize K P so that the timing errors detected in
Figure 112021023815219-pat00008
= 0, where T is the REF reference period). Adhering to principle ① can suppress “white” thermal noise, but cannot completely eliminate the effects of flicker noise. If f D [n], f D of the current period,
Figure 112021023815219-pat00009
Principle ② must also be satisfied in order to avoid influencing Correlation with f D [n-1], f D [n-2], etc. is theoretically necessary, but the practical impact on further reduction of total jitter is negligible. If K P is optimized in principle ①, since the first term of the last equation in principle ② is 0, every 2T REF
Figure 112021023815219-pat00010
has an autocorrelation of 0, i.e.
Figure 112021023815219-pat00011
= 0, the condition of principle can be satisfied.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 KI와 KP가 최적으로 설정된 PICO의 경로를 설명하기 위한 블록도이다. 5 is a block diagram for explaining a PICO path in which K I and K P are optimally set according to an embodiment of the present invention.

도 5는 자기 상관 로직과 누적기로 구성된 제안된 PICO의 구현을 보여준다.

Figure 112021023815219-pat00012
정보를 가지고 있는 OS TDC, DTDC의 출력이 PICO에 제공된다. 그러면 PICO는 각각 KP와 KI를 결정하는 DKP와 DKI의 디지털 코드를 생성하여
Figure 112021023815219-pat00013
Figure 112021023815219-pat00014
가 모두 0이 되도록 한다. Figure 5 shows the implementation of the proposed PICO consisting of autocorrelation logic and accumulator.
Figure 112021023815219-pat00012
The output of OS TDC, D TDC with information is provided to PICO. PICO then generates digital codes for D KP and D KI that determine K P and K I respectively.
Figure 112021023815219-pat00013
Wow
Figure 112021023815219-pat00014
are all set to 0.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 DPLL과 PICO의 전체 아키텍처를 나타내는 도면이다. 6 is a diagram showing the entire architecture of DPLL and PICO according to an embodiment of the present invention.

OS TDC는 SREF와 SDIV 간의

Figure 112021023815219-pat00015
을 양자화하고, P-경로(P-path) 및 I-경로(I-path)로 구성되는 다음 DLF(Digital Loop Filter)에 DTDC를 제공한다. DP와 DI의 두 경로에 있는 B2T(Binary-to-Digital Converter)의 출력 디지털 코드는 RDCO의 주파수를 제어하여
Figure 112021023815219-pat00016
을 보정한다. DLF(일반적으로 재타이밍 프로세스(retiming process)를 위해 수행됨) 후, 두 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 DP와 DI가 DCO에 별도로 공급되어, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 저하를 방지한다[2]. KP 및 KI를 정확하게 조정하기 위해 PICO는 각각 DKP 및 DKI를 통해 P-경로 및 I-경로의
Figure 112021023815219-pat00017
를 제어한다. 캐스케이드(cascaded)
Figure 112021023815219-pat00018
및 RC 필터를 통과한 후 DKP 및 DKI는 각각 VKP 및 VKI로 변환된다. 이후, VKP 및 VKI가 매우 정확하게 DP 및 DI(즉, 각각 KP 및 KI)의 가중치를 결정한다. ADH-SC(Analog-Digital-Hybrid Switched Capacitors)[5]는 DCO에 사용되어 DCO의 주파수가 Dx의 변화에 즉시 반응하는 동시에 Kx는 VKx에 따라 정확하게 제어된다(x는 P 또는 I). I-경로 이득 교정 루프의 대역폭은 P-경로 이득 교정 루프보다 훨씬 좁게 설계 되었기 때문에, 안정성 문제없이 DKP와 DKI의 수렴을 보장할 수 있다. I-경로의 제한된 튜닝 범위를 보완하기 위해 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 안정성을 보장하기 위한 I-경로의 대역폭보다 훨씬 더 작게 제한한다. 고정(locking)을 촉진하는 코어스(coarse) PD는 초기 단계에서와 같이
Figure 112021023815219-pat00019
이 클 때만 활성화된다. DCO의 잡음을 억제하는 DPLL의 성능을 높이기 위해, FPEC-DLF 로직에서 제공되는 SFPEC의 짧은 기간 동안 P-경로 이득을 부스팅함으로써 FPEC(Fast Phase-Error Correction) 기술[5]이 DLF에서 구현된다. OS TDC is the difference between S REF and S DIV .
Figure 112021023815219-pat00015
is quantized, and D TDC is provided to the next Digital Loop Filter (DLF) composed of a P-path and an I-path. The output digital code of B2T (Binary-to-Digital Converter) in the two paths of D P and D I controls the frequency of RDCO to
Figure 112021023815219-pat00016
correct the After the DLF (usually done for the retiming process), DP and DI are fed separately to the DCO to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the two paths, resulting in It prevents degradation of output jitter [2]. In order to accurately tune K P and K I , PICO controls the P-path and I-path parameters via D KP and D KI , respectively.
Figure 112021023815219-pat00017
to control cascaded
Figure 112021023815219-pat00018
and RC filters, D KP and D KI are converted into V KP and V KI , respectively. Then, V KP and V KI determine the weights of D P and D I (ie, K P and K I , respectively) very accurately. ADH-SC (Analog-Digital-Hybrid Switched Capacitors) [5] are used in the DCO so that the frequency of the DCO responds immediately to changes in D x while K x is precisely controlled according to V Kx (x is either P or I) . Since the bandwidth of the I-path gain calibration loop is designed to be much narrower than that of the P-path gain calibration loop, convergence of D KP and D KI can be guaranteed without stability problems. To compensate for the limited tuning range of the I-path, an additional frequency acquisition path with a limiter is used to limit it to a much smaller bandwidth than the I-path's bandwidth to ensure stability. Coarse PD, which promotes locking, as in the early stages
Figure 112021023815219-pat00019
Activated only when To improve the performance of the DPLL in suppressing the noise of the DCO, the Fast Phase-Error Correction (FPEC) technique [5] is implemented in the DLF by boosting the P-path gain for a short period of SFPEC provided in the FPEC-DLF logic.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 NTDC를 사용한 최소 달성 가능한 RMS 지터

Figure 112021023815219-pat00020
의 변화를 나타내는 도면이다. 7 shows the minimum achievable RMS jitter using N TDCs according to an embodiment of the present invention.
Figure 112021023815219-pat00020
It is a diagram showing the change of

도 7을 참조하면, NTDC가 무한하고 DCO에 열 노이즈에만 존재하는 이상적인

Figure 112021023815219-pat00021
값으로 정규화된다. 데이터는 Simulink를 통한 행동 시뮬레이션을 사용하여 얻었으며 KP, KI
Figure 112021023815219-pat00022
의 값은 각 NTDC에 대해 최적화되었다. 1/f 코너 주파수가 0MHz에서 20MHz로 증가함에 따라 정규화된
Figure 112021023815219-pat00023
의 레벨이 전반적으로 증가하고, 그것의 NTDC에 따른 감소는 더욱 크다. 두 경우에서
Figure 112021023815219-pat00024
의 감쇠는 NTDC가 증가함에 따라 느리고 NTDC가 7보다 크거나 같을 때 거의 포화된다. 본 발명의 실시예에 따라 설계된 DCO는 20MHz 1/f 코너 주파수를 가지므로, 본 발명의 실시예에서는 NTDC를 7로 고정한다. Referring to FIG. 7, the ideal N TDC is infinite and exists only in thermal noise in DCO.
Figure 112021023815219-pat00021
normalized to the value Data were obtained using behavioral simulations with Simulink, and K P , K I and
Figure 112021023815219-pat00022
The value of is optimized for each N TDC . Normalized as 1/f corner frequency increases from 0 MHz to 20 MHz
Figure 112021023815219-pat00023
The level of β increases overall, and its decrease according to N TDC is greater. in both cases
Figure 112021023815219-pat00024
The decay of is slow as N TDC increases and becomes almost saturated when N TDC is greater than or equal to 7. Since the DCO designed according to the embodiment of the present invention has a 20 MHz 1/f corner frequency, N TDC is fixed to 7 in the embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL 회로의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 8 is a flowchart illustrating an operating method of an RDCO-based DPLL circuit with proportional and integral gain joint optimization according to an embodiment of the present invention.

제안하는 비례 및 적분 이득 공동 최적화를 갖는 RDCO 기반 DPLL 회로의 동작 방법은 The operating method of the proposed RDCO-based DPLL circuit with proportional and integral gain co-optimization is

OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter)가 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 단계(810), PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO)를 통해 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 단계(820) 및 디지털 제어 발진기가 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 단계(830)를 포함한다. OS TDC (Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter) obtains timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizes the timing error (810), PICO (Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO ) to receive the quantized timing error from the OS TDC and simultaneously adjust the proportional path gain (K P ) and the integral path gain (K I ) of the loop to reduce output jitter by removing flicker noise and thermal noise ( 820) and controlling the output frequency by the digitally controlled oscillator using the proportional path gain (K P ) and the integral path gain (K I ) adjusted by the PICO (830).

단계(810)에서, OS TDC는 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화한다.In step 810, the OS TDC obtains timing error information for flicker noise cancellation through the phase detector and quantizes the timing error.

OS TDC는 출력 지터 성능과 전력 소비 간의 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 복수의 BBPD(Bang-Bang Phase Detector)를 포함하고, 복수의 BBPD에서 획득한 타이밍 에러 정보의 이진 값을 이용하여 출력 지터를 감소시키기 위해 복수의 BBPD 각각은 상이한 시간 임계 값을 갖는다. The OS TDC includes multiple BBPDs (Bang-Bang Phase Detectors) to avoid the tradeoff between output jitter performance and power consumption, and output jitter is determined using binary values of timing error information obtained from the multiple BBPDs. To reduce, each of the plurality of BBPDs has a different time threshold.

단계(820)에서, PICO는 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정한다. In step 820, PICO receives the quantized timing error from the OS TDC and adjusts the proportional path gain (K P ) and the integral path gain (K I ) of the loop to reduce output jitter by removing flicker noise and thermal noise. adjust at the same time

PICO는 루프 안정성 저하로 인해 발생하는 지터 피킹을 방지하여 위해 출력 지터를 감소시키고, 위상 노이즈를 줄이기 위한 위상 마진을 달성하도록 하는 루프의 비례 경로 이득(KP)과 루프의 적분 경로 이득(KI)을 제어한다. PICO reduces output jitter by avoiding jitter peaking caused by loop stability deterioration, and the proportional path gain of the loop (K P ) and the integral path gain of the loop (K I to achieve phase margin to reduce phase noise). ) to control.

PICO는 백색 열 노이즈(white thermal noise)로 인한 영향을 억제하기 위해 루프의 현재 주기와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 비례 경로 이득(KP)을 최적화하여 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP)를 생성한다. To suppress the effects of white thermal noise, PICO optimizes the proportional path gain (K P ) of the loop so that the timing errors detected in the current cycle and the next cycle of the loop are not correlated, resulting in a proportional path gain. Generates a digital code (D KP ) that determines (K P ).

PICO는 플리커 노이즈로 인한 영향을 억제하기 위해 현재 주기의 플리커-유도 주파수 드리프트(flicker-induced frequency drifts)와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 적분 경로 이득(KI)을 최적화하여 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. To suppress the effects of flicker noise, PICO adjusts the integral path gain (K I ) of the loop so that flicker-induced frequency drifts in the current cycle do not correlate with timing errors detected in the next cycle. Optimize to generate a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I ).

OS TDC는 기준 신호와 루프의 피드백 신호 간의 타이밍 에러를 양자화하고 루프의 비례 경로 및 루프의 적분 경로로 구성되는 DLF(Digital Loop Filter)에 양자화된 신호를 제공한다. 이때, PICO는 DLF 후, 비례 경로 및 적분 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 비례 경로 지연과 적분 경로 지연을 디지털 제어 발진기에 별도로 공급하고, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 영향을 억제하도록 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP) 및 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성한다. The OS TDC quantizes the timing error between the reference signal and the feedback signal of the loop and provides the quantized signal to a digital loop filter (DLF) composed of a proportional path of the loop and an integral path of the loop. At this time, PICO separately supplies the proportional path delay and the integral path delay to the digital control oscillator in order to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the proportional path and the integral path after the DLF, and reduces the output jitter caused by the additional loop delay. A digital code (D KP ) for determining the proportional path gain (K P ) and a digital code (D KI ) for determining the integral path gain (K I ) are generated to suppress the influence.

PICO는 비례 경로 이득을 결정하는 디지털 코드와 적분 경로 이득을 결정하는 디지털 코드의 수렴을 보장하기 위해 적분 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭은 비례 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭 보다 작게 설정하고, 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 적분 경로의 대역폭을 더욱 작게 제한한다. PICO sets the bandwidth of the loop for calibrating the integral path gain to be smaller than the bandwidth of the loop for calibrating the proportional path gain to ensure convergence of the digital code for determining the proportional path gain and the digital code for determining the integral path gain. , using an additional frequency acquisition path with a limiter to limit the bandwidth of the integration path to a smaller size.

단계(830)에서, RDCO는 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어한다.At step 830, RDCO controls the output frequency using the proportional path gain (K P ) and the integral path gain (K I ) adjusted by PICO.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 RDCO DPLL의 다이 현미경 사진 및 전력 소비를 나타내는 도면이다. 9 is a diagram showing a die micrograph and power consumption of an RDCO DPLL according to an embodiment of the present invention.

도 9(a)는 65nm CMOS 기술로 제작된 제안하는 RDCO DPLL의 다이 현미경 사진(die micrograph)을 나타낸다. 이것은 0.075mm2의 활성 영역을 차지한다. 도 9(b)와 같이 총 전력 소비는 약 6.5mW이다. RDCO는 4.1mW를 소비했으며 분배기, 디지털 로직 및 OS TDC와 같은 루프의 다른 회로는 2.38mW를 소비했다. 9(a) shows a die micrograph of the proposed RDCO DPLL fabricated by 65nm CMOS technology. It occupies an active area of 0.075 mm 2 . As shown in FIG. 9(b), the total power consumption is about 6.5 mW. RDCO consumed 4.1mW and other circuitry in the loop such as divider, digital logic and OS TDC consumed 2.38mW.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정된 위상 노이즈 및 출력 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 10 is a diagram showing measured phase noise and output spectrum according to an embodiment of the present invention.

도 10(위 그래프)은 KI 및 KP는 모두 PICO에 의해 최적화되고(도 10의 1010), KP 만 최적화되고 KI는 작은 값으로 설정(도 10의 1020)되었을 때, 120MHz 기준 클럭을 사용하여 7.68GHz 출력 신호의 측정된 PN을 나타낸다. R&S FSWP의 위상 노이즈 분석기가 PN 측정에 사용되었다. 도 10과 같이, FPEC으로 인한 넓은 루프 대역폭(약 40MHz)이 RDCO의 프리-러닝(free-running) PN을 크게 억제했기 때문에, KP 만 최적화된 경우(도 10의 1020)는 상대적으로 낮은 100-kHz PN 및 RMS 지터, 각각 -100dBc/Hz 및 464fs 를 이미 달성했다. PICO가 완전히 작동되고, KP와 KI가 모두 최적화되었을 때(도 10의 1010), 이 두 값은 각각 -115.0dBc/Hz 및 373fs로 크게 감소했다. PCB로 인한 프리-러닝 DCO의 PN에서도 7 ~ 10MHz 오프셋 사이의 PN 플롯에 범프(bump)가 있다. 도 10(아래 그래프)은 키사이트 N9030A의 스펙트럼 분석기로 캡처한 7.68GHz 출력 신호의 측정된 출력 스펙트럼을 나타낸다. 10 (above graph) shows a 120 MHz reference clock when both K I and K P are optimized by PICO (1010 in FIG. 10), and only K P is optimized and K I is set to a small value (1020 in FIG. 10). is used to represent the measured PN of the 7.68 GHz output signal. The phase noise analyzer of the R&S FSWP was used for PN measurements. As shown in FIG. 10, since the wide loop bandwidth (about 40 MHz) due to FPEC greatly suppressed the free-running PN of RDCO, when only K P was optimized (1020 in FIG. 10), a relatively low 100 -kHz PN and RMS jitter, -100dBc/Hz and 464fs, respectively, have already been achieved. When PICO is fully operational and both K P and K I are optimized (1010 in FIG. 10), these two values significantly decrease to -115.0 dBc/Hz and 373 fs, respectively. Even in the PN of the free-running DCO due to the PCB, there is a bump in the PN plot between the 7 and 10 MHz offset. Figure 10 (bottom graph) shows the measured output spectrum of a 7.68 GHz output signal captured by a spectrum analyzer on a Keysight N9030A.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 신호의 측정된 스펙트럼 및 위상 노이즈를 나타내는 도면이다. 11 is a diagram showing measured spectrum and phase noise of an output signal according to an embodiment of the present invention.

120MHz 오프셋에서 기준 스퍼(spur)의 레벨은 -65dBc였다. 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 출력 주파수(7.872GHz (도 11(a)) 및 7.808GHz(도 11(b))에서 PN과 스펙트럼을 측정했다. 100kHz PN, RMS 지터 및 기준 스퍼 레벨은 각각 -115dBc/Hz, 370fs 및 -65dBc 미만으로 제한되었다. 표 1에서 이러한 본 발명의 실시예에 따른 성능을 최첨단 링 오실레이터 기반 주파수 합성기의 성능과 비교한다. At 120 MHz offset, the level of the reference spur was -65 dBc. PN and spectrum were measured at different output frequencies (7.872 GHz (FIG. 11(a)) and 7.808 GHz (FIG. 11(b))) according to an embodiment of the present invention. 100 kHz PN, RMS jitter and reference spur level are respectively Limited to less than -115 dBc/Hz, 370 fs and -65 dBc Table 1 compares the performance of this embodiment of the present invention with that of a state-of-the-art ring oscillator based frequency synthesizer.

<표 1><Table 1>

Figure 112021023815219-pat00025
Figure 112021023815219-pat00025

PICO에 의한 백색 열 및 플리커 노이즈 억제로 인해 제안하는 회로는 표 1의 설계 중에서 가장 낮은 대역 내 PN (1GHz로 정규화된 100kHz PN은 -132.7dBc/Hz)을 달성했다. 제안하는 DPLL은 가장 높은 fOUT 생성에서 플리커 노이즈가 매우 심하다(1/f 코너 주파수 = 19MHz). 이러한 이유로 최소 달성 가능한 RMS 지터와 이에 따른 지터 FOM인 FOMJIT는 플리커 노이즈가 적은 다른 지터에 비해 필연적으로 더 높다. 그럼에도 불구하고 제안하는 DPLL은 표 1의 다른 아키텍처에 비해 매우 낮은 RMS 지터 및 FOMJIT를 갖는다.Due to suppression of white heat and flicker noise by PICO, the proposed circuit achieves the lowest in-band PN (-132.7dBc/Hz for 100kHz PN normalized to 1GHz) among the designs in Table 1. The proposed DPLL has very severe flicker noise at the highest f OUT generation (1/f corner frequency = 19 MHz). For this reason, the minimum achievable RMS jitter and hence the jitter FOM, FOM JIT , are necessarily higher than other jitter with less flicker noise. Nevertheless, the proposed DPLL has very low RMS jitter and FOM JIT compared to other architectures in Table 1.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 최첨단 링 오실레이터 기반 주파수 합성기와의 성능 비교를 나타내는 도면이다. 12 is a diagram showing performance comparison with a state-of-the-art ring oscillator-based frequency synthesizer according to an embodiment of the present invention.

도 12는 N의 효과를 고려한 FOMJIT 및 FOMJIT,N 측면에서 최신 주파수 합성기와의 성능 비교를 보여준다. 높은 fOUT 및 N에도 불구하고 제안하는 RDCO DPLL은 FOMJIT 및 FOMJIT,N의 우수한 성능을 달성한다. 이것은 7GHz 이상의 fOUT에서 -240dB FOMJIT를 달성한 최초의 RDCO DPLL이다. 12 shows a performance comparison with a state-of-the-art frequency synthesizer in terms of FOM JIT and FOM JIT,N considering the effect of N. Despite the high f OUT and N, the proposed RDCO DPLL achieves excellent performance of FOM JIT and FOM JIT,N . This is the first RDCO DPLL to achieve -240dB FOM JIT at f OUT above 7GHz.

본 발명에서는 플리커 노이즈가 심한 고출력 주파수에서도 초 저지터 성능을 달성할 수 있는 RDCO DPLL을 제안한다. RDCO의 지터가 백색 열 노이즈라는 잘못된 가정을 기반으로 P-경로 이득 만을 최적화하는 기존 DPLL의 한계를 극복하기 위해 본 발명에서는 P-경로 및 I-경로의 이득을 동시에 최적화하는 PICO를 제안한다. 제안하는 RDCO DPLL은 PICO을 통해 플리커와 열 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다. The present invention proposes an RDCO DPLL capable of achieving ultra-low jitter performance even at a high output frequency with severe flicker noise. In order to overcome the limitations of conventional DPLLs that optimize only the P-path gain based on the erroneous assumption that RDCO jitter is white thermal noise, the present invention proposes a PICO that simultaneously optimizes the P-path and I-path gains. The proposed RDCO DPLL can effectively remove flicker and thermal noise through PICO.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of software. For convenience of understanding, there are cases in which one processing device is used, but those skilled in the art will understand that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it can include. For example, a processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, which configures a processing device to operate as desired or processes independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be any tangible machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, intended to be interpreted by or provide instructions or data to a processing device. can be embodied in Software may be distributed on networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program commands recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. - includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

<참고 문헌><References>

[1] R. B. Staszewski et al., "All-Digital PLL and Transmitter for Mobile Phones," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, pp. 2469-2482, Dec. 2005. [1] R. B. Staszewski et al., "All-Digital PLL and Transmitter for Mobile Phones," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, p. 2469-2482, Dec. 2005.

[2] T. K. Kuan and S. I. Liu, "A Bang Bang Phase-Locked Loop Using Automatic Loop Gain Control and Loop Latency Reduction Techniques," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 4, pp. 821-831, Apr. 2016.[2] T. K. Kuan and S. I. Liu, "A Bang Bang Phase-Locked Loop Using Automatic Loop Gain Control and Loop Latency Reduction Techniques," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 4, p. 821-831, Apr. 2016.

[3] M. Zanuso, D. Tasca, S. Levantino, A. Donadel, C. Samori, and A. L. Lacaita, "Noise Analysis and Minimization in Bang-Bang Digital PLLs," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 56, no. 11, pp. 835-839, Nov. 2009. [3] M. Zanuso, D. Tasca, S. Levantino, A. Donadel, C. Samori, and A. L. Lacaita, "Noise Analysis and Minimization in Bang-Bang Digital PLLs," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 56, no. 11, p. 835-839, Nov. 2009.

[4] S. Jang, S. Kim, S. H. Chu, G. S. Jeong, Y. Kim, and D. K. Jeong, "An Optimum Loop Gain Tracking All-Digital PLL Using Autocorrelation of Bang-Bang Phase-Frequency Detection," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 62, no. 9, pp. 836-840, Sep. 2015. [4] S. Jang, S. Kim, S. H. Chu, G. S. Jeong, Y. Kim, and D. K. Jeong, "An Optimum Loop Gain Tracking All-Digital PLL Using Autocorrelation of Bang-Bang Phase-Frequency Detection," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 62, no. 9, p. 836-840, Sep. 2015.

[5] T. Seong, Y. Lee, S. Yoo, and J. Choi, "A 320-fs RMS Jitter and - 75-dBc Reference-Spur Ring-DCO-Based Digital PLL Using an Optimal-Threshold TDC," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 9, pp. 2501-2512, Sep. 2019. [5] T. Seong, Y. Lee, S. Yoo, and J. Choi, "A 320-fs RMS Jitter and - 75-dBc Reference-Spur Ring-DCO-Based Digital PLL Using an Optimal-Threshold TDC," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 9, p. 2501-2512, Sep. 2019.

[6] A. A. Abidi, "Phase Noise and Jitter in CMOS Ring Oscillators," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 8, pp. 1803-1816, 2006. [6] A. A. Abidi, "Phase Noise and Jitter in CMOS Ring Oscillators," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 8, p. 1803-1816, 2006.

[7] S. Lloyd, "Least squares quantization in PCM," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 28, no. 2, pp. 129-137, Mar. 1982. [7] S. Lloyd, "Least squares quantization in PCM," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 28, no. 2, p. 129-137, Mar. 1982.

[8] G. Marucci, S. Levantino, P. Maffezzoni, and C. Samori, "Exploiting Stochastic Resonance to Enhance the Performance of Digital Bang-Bang PLLs," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 60, no. 10, pp. 632-636, Oct. 2013.[8] G. Marucci, S. Levantino, P. Maffezzoni, and C. Samori, "Exploiting Stochastic Resonance to Enhance the Performance of Digital Bang-Bang PLLs," IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, vol. 60, no. 10, p. 632-636, Oct. 2013.

Claims (16)

위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter);
OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO); 및
PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 디지털 제어 발진기
를 포함하고,
상기 PICO는,
루프 안정성 저하로 인해 발생하는 지터 피킹을 방지하여 출력 지터를 감소시키고, 위상 노이즈를 줄이기 위한 위상 마진을 달성하도록 하는 루프의 비례 경로 이득(KP)과 루프의 적분 경로 이득(KI)을 제어하며,
백색 열 노이즈(white thermal noise)로 인한 영향을 억제하기 위해 루프의 현재 주기와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 비례 경로 이득(KP)을 최적화하여 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로.
an OS Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter (TDC) that obtains timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizes the timing error;
PICO (Proportional and integral) that simultaneously adjusts the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) of the loop to reduce output jitter by receiving quantized timing errors from the OS TDC and removing flicker noise and thermal noise gain Co-Optimization; PICO); and
Digitally controlled oscillator that controls the output frequency using the proportional path gain (K P ) and integral path gain (K I ) adjusted by PICO
including,
The PICO,
Controls the loop's proportional path gain (K P ) and loop's integral path gain (K I ) to reduce output jitter by preventing jitter peaking caused by loop stability deterioration and achieve phase margin to reduce phase noise and
To suppress the effects of white thermal noise, the proportional path gain (K P ) of the loop is optimized so that the timing errors detected in the current cycle and the next cycle of the loop are not correlated, so that the proportional path gain (K P ) to generate a digital code (D KP ) that determines
Digital phase locked loop circuit.
제1항에 있어서,
상기 OS TDC는,
출력 지터 성능과 전력 소비 간의 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 복수의 BBPD(Bang-Bang Phase Detector)를 포함하고, 복수의 BBPD에서 획득한 타이밍 에러 정보의 이진 값을 이용하여 출력 지터를 감소시키기 위해 복수의 BBPD 각각은 상이한 시간 임계 값을 갖는
디지털 위상 고정 루프 회로.
According to claim 1,
The OS TDC,
In order to avoid a tradeoff between output jitter performance and power consumption, a plurality of Bang-Bang Phase Detectors (BBPDs) are included, and output jitter is reduced using binary values of timing error information obtained from the plurality of BBPDs. Each of the plurality of BBPDs has a different time threshold
Digital phase locked loop circuit.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 PICO는,
플리커 노이즈로 인한 영향을 억제하기 위해 현재 주기의 플리커-유도 주파수 드리프트(flicker-induced frequency drifts)와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 적분 경로 이득(KI)을 최적화하여 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로.
According to claim 1,
The PICO,
To suppress the effects of flicker noise, the loop's integration path gain (K I ) is optimized so that the flicker-induced frequency drifts in the current cycle do not correlate with the timing errors detected in the next cycle. generating a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I )
Digital phase locked loop circuit.
제1항에 있어서,
상기 OS TDC는,
기준 신호와 루프의 피드백 신호 간의 타이밍 에러를 양자화하고 루프의 비례 경로 및 루프의 적분 경로로 구성되는 DLF(Digital Loop Filter)에 양자화된 신호를 제공하는
디지털 위상 고정 루프 회로.
According to claim 1,
The OS TDC,
Quantizes the timing error between the reference signal and the feedback signal of the loop and provides the quantized signal to the Digital Loop Filter (DLF) composed of the proportional path of the loop and the integral path of the loop.
Digital phase locked loop circuit.
제6항에 있어서,
상기 PICO는,
DLF 후, 비례 경로 및 적분 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 비례 경로 지연과 적분 경로 지연을 디지털 제어 발진기에 별도로 공급하고, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 영향을 억제하도록 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP) 및 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로.
According to claim 6,
The PICO,
After the DLF, the proportional path delay and the integral path delay are separately supplied to the digitally controlled oscillator to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the proportional and integral paths, and to suppress the effect of output jitter due to the additional loop delay. generating a digital code (D KP ) that determines the proportional path gain (K P ) and a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I )
Digital phase locked loop circuit.
제7항에 있어서,
비례 경로 이득을 결정하는 디지털 코드와 적분 경로 이득을 결정하는 디지털 코드의 수렴을 보장하기 위해 적분 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭은 비례 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭 보다 작게 설정되고, 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 적분 경로의 대역폭을 더욱 작게 제한하는
디지털 위상 고정 루프 회로.
According to claim 7,
To ensure convergence of the digital code for determining the proportional path gain and the digital code for determining the integral path gain, the bandwidth of the loop for calibrating the integral path gain is set smaller than the bandwidth of the loop for calibrating the proportional path gain, and the limiter to limit the bandwidth of the integration path to a smaller size by using an additional frequency acquisition path with
Digital phase locked loop circuit.
OS TDC(Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter)가 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 단계;
PICO(Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO)를 통해 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 단계; 및
디지털 제어 발진기가 PICO에 의해 조정된 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)을 이용하여 출력 주파수를 제어하는 단계
를 포함하고,
상기 PICO를 통해 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 단계는,
루프 안정성 저하로 인해 발생하는 지터 피킹을 방지하여 출력 지터를 감소시키고, 위상 노이즈를 줄이기 위한 위상 마진을 달성하도록 하는 루프의 비례 경로 이득(KP)과 루프의 적분 경로 이득(KI)을 제어하며,
백색 열 노이즈(white thermal noise)로 인한 영향을 억제하기 위해 루프의 현재 주기와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 비례 경로 이득(KP)을 최적화하여 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
obtaining timing error information for removing flicker noise through an OS TDC (Optimally-Spaced Time-to-Digital Converter) through a phase detector and quantizing the timing error;
Proportional path gain (K P ) and integral path of loop to reduce output jitter by receiving quantized timing error from OS TDC through PICO (Proportional and integral gain Co-Optimization; PICO) and removing flicker noise and thermal noise simultaneously adjusting the gain (K I ); and
A digitally controlled oscillator controlling an output frequency using a proportional path gain (K P ) and an integral path gain (K I ) adjusted by PICO.
including,
Simultaneously adjusting a proportional path gain (K P ) and an integral path gain (K I ) of a loop to reduce output jitter by receiving the quantized timing error from the OS TDC through the PICO and removing flicker noise and thermal noise. Is,
Controls the loop's proportional path gain (K P ) and loop's integral path gain (K I ) to reduce output jitter by preventing jitter peaking caused by loop stability deterioration and achieve phase margin to reduce phase noise and
To suppress the effects of white thermal noise, the proportional path gain (K P ) of the loop is optimized so that the timing errors detected in the current cycle and the next cycle of the loop are not correlated, so that the proportional path gain (K P ) to generate a digital code (D KP ) that determines
How digital phase locked loop circuits work.
제9항에 있어서,
상기 OS TDC가 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 단계는,
출력 지터 성능과 전력 소비 간의 트레이드오프(tradeoff)를 피하기 위해 복수의 BBPD(Bang-Bang Phase Detector)를 포함하고, 복수의 BBPD에서 획득한 타이밍 에러 정보의 이진 값을 이용하여 출력 지터를 감소시키기 위해 복수의 BBPD 각각은 상이한 시간 임계 값을 갖는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
According to claim 9,
The OS TDC obtaining timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizing the timing error,
In order to avoid a tradeoff between output jitter performance and power consumption, a plurality of Bang-Bang Phase Detectors (BBPDs) are included, and output jitter is reduced using binary values of timing error information obtained from the plurality of BBPDs. Each of the plurality of BBPDs has a different time threshold
How digital phase locked loop circuits work.
삭제delete 삭제delete 제9항에 있어서,
플리커 노이즈로 인한 영향을 억제하기 위해 현재 주기의 플리커-유도 주파수 드리프트(flicker-induced frequency drifts)와 다음 주기에서 감지되는 타이밍 에러가 상관 관계를 갖지 않도록 루프의 적분 경로 이득(KI)을 최적화하여 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
According to claim 9,
To suppress the effects of flicker noise, the loop's integration path gain (K I ) is optimized so that the flicker-induced frequency drifts in the current cycle do not correlate with the timing errors detected in the next cycle. generating a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I )
How digital phase locked loop circuits work.
제9항에 있어서,
상기 OS TDC가 위상 검출기를 통해 플리커 노이즈 제거를 위한 타이밍 에러 정보를 획득하여 타이밍 에러를 양자화하는 단계는,
기준 신호와 루프의 피드백 신호 간의 타이밍 에러를 양자화하고 루프의 비례 경로 및 루프의 적분 경로로 구성되는 DLF(Digital Loop Filter)에 양자화된 신호를 제공하는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
According to claim 9,
The OS TDC obtaining timing error information for flicker noise removal through a phase detector and quantizing the timing error,
Quantizes the timing error between the reference signal and the feedback signal of the loop and provides the quantized signal to the Digital Loop Filter (DLF) composed of the proportional path of the loop and the integral path of the loop.
How digital phase locked loop circuits work.
제14항에 있어서,
상기 PICO를 통해 OS TDC로부터 양자화된 타이밍 에러를 입력 받아 플리커 노이즈와 열 노이즈를 제거하여 출력 지터를 감소시키도록 루프의 비례 경로 이득(KP)과 적분 경로 이득(KI)를 동시에 조정하는 단계는,
DLF 후, 비례 경로 및 적분 경로의 디지털 합산으로 인해 발생하는 추가적인 루프 지연을 제거하기 위해 비례 경로 지연과 적분 경로 지연이 디지털 제어 발진기에 별도로 공급되어, 추가적인 루프 지연으로 인한 출력 지터의 영향을 억제하도록 비례 경로 이득(KP)을 결정하는 디지털 코드(DKP) 및 적분 경로 이득(KI)을 결정하는 디지털 코드(DKI)를 생성하는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
According to claim 14,
Simultaneously adjusting a proportional path gain (K P ) and an integral path gain (K I ) of a loop to reduce output jitter by receiving the quantized timing error from the OS TDC through the PICO and removing flicker noise and thermal noise. Is,
After the DLF, the proportional and integral path delays are separately supplied to the digitally controlled oscillator to eliminate the additional loop delay caused by the digital summation of the proportional and integral paths, suppressing the effect of output jitter due to the additional loop delay. generating a digital code (D KP ) that determines the proportional path gain (K P ) and a digital code (D KI ) that determines the integral path gain (K I )
How digital phase locked loop circuits work.
제15항에 있어서,
비례 경로 이득을 결정하는 디지털 코드와 적분 경로 이득을 결정하는 디지털 코드의 수렴을 보장하기 위해 적분 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭은 비례 경로 이득을 교정하기 위한 루프의 대역폭 보다 작게 설정되고, 리미터와 함께 추가적인 주파수 획득 경로를 사용하여 적분 경로의 대역폭을 더욱 작게 제한하는
디지털 위상 고정 루프 회로의 동작 방법.
According to claim 15,
To ensure convergence of the digital code for determining the proportional path gain and the digital code for determining the integral path gain, the bandwidth of the loop for calibrating the integral path gain is set smaller than the bandwidth of the loop for calibrating the proportional path gain, and the limiter to limit the bandwidth of the integration path to a smaller size by using an additional frequency acquisition path with
How digital phase locked loop circuits work.
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