Jitter and Phase Noise in Ring Oscillators
先備知識(建議先讀) :先把 paper_001 (ISF、Γ r m s 2 / q m a x 2 \Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 Γ r m s 2 / q ma x 2 、symmetry 法則)讀懂——本頁所有結論都是 [P1] 的 ISF 套到 ring。jitter 的時域/頻域語言見 psd_phase_noise_jitter 。
[P2] 把 [P1] 的 ISF 框架套到 ring oscillator(環形振盪器) 。它回答三個非常實際的問題:
(1)自由振盪的 ring 的 long-term jitter 怎麼隨時間長大?(2)級數 N N N 對 phase noise 有什麼
影響?(3)為什麼波形對稱性能壓低 close-in noise?答案分別是 σ Δ t = κ Δ t \sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t} σ Δ t = κ Δ t 、
Γ r m s ∝ N − 3 / 2 \Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} Γ r m s ∝ N − 3/2 (與「固定功率與頻率下幾乎與 N N N 無關」),以及 Fig. 17 的對稱性實驗。
Citation
[P2] A. Hajimiri, S. Limotyrakis, and T. H. Lee, "Jitter and Phase Noise in Ring
Oscillators," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, no. 6, pp. 790–804, Jun. 1999.
(檔案 jitter_ring.pdf,paper_002)
One-sentence contribution
把 [P1] 的 ISF 用到 ring oscillator,得到 jitter 與 phase noise 的封閉式、
Γ r m s ∝ N − 3 / 2 \Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} Γ r m s ∝ N − 3/2 的 scaling、以及「固定 f 0 f_0 f 0 與功率時 single-ended ring 的
phase noise/jitter 幾乎與級數 N N N 無關」這個反直覺結論(claim C7, C8)。
Why this paper matters
LC 振盪器要電感,面積大、不好整合;ring oscillator 全用反相器、面積小、好整合、調頻範圍寬 ,
是 PLL/CDR 裡最常見的 VCO。但 ring 的 phase noise 通常比 LC 差很多——[P2] 用 ISF 解釋
為什麼 ,並給出可操作的設計法則:
它把 ring 的 jitter 連到和 phase noise 同一個 Γ r m s 2 / q m a x 2 \Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 Γ r m s 2 / q ma x 2 比例 (claim C6),
讓「時域 jitter」與「頻域 phase noise」在 ISF 框架下統一。
它澄清一個常被誤解的問題:「ring 級數 N N N 加多會不會比較好?」答案在固定功率與頻率的約束下
是「幾乎沒差 」(claim C7)——多了級數、Γ r m s \Gamma_{rms} Γ r m s 變小,但每級擺幅也變小、device 變多,
彼此抵消。
它用實測(Fig. 17)證實 [P1] 的 symmetry 法則:把控制電壓調到讓上升/下降對稱的點,phase
noise 出現極小值 (claim C4)。
Main assumptions
照 paper_metadata(paper_002.assumptions):
與 [P1] 相同的 LTV/ISF 小擾動假設。
每級 device noise 為白噪(加上用 symmetry 處理的 1/f 成分)。
各級相同;延遲與 noise 在每次 transition 獨立相加。
物理直覺 :ring 的能量幾乎全集中在 transition(邊緣翻轉)那一瞬間注入,所以它的 ISF
不像 LC 的平滑 − sin -\sin − sin ,而是集中在 transition 的尖峰 ([P2] Fig. 5)。哪裡敏感、哪裡踢
一下最傷相位,就在那些尖峰上。級數越多、單一 transition 佔整個週期的比例越小,rms ISF 越小。
Key equations
Eq.(8):accumulated jitter(隨機漫步指紋)
Original formula ([P2] Eq.(8), p.792;κ 由 Eq.(12), p.793):
σ Δ t = κ Δ t \sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t} σ Δ t = κ Δ t
Meaning :自由振盪器相隔 Δ t \Delta t Δ t 的兩個邊緣,其時間誤差的標準差正比於
Δ t \sqrt{\Delta t} Δ t ——這是「沒有絕對時間參考」的振盪器的隨機漫步(random walk)指紋
(claim C6)。κ \kappa κ 是每顆 device 的比例常數,單位 s \sqrt{\text{s}} s 。
Step-by-step derivation :每次 transition 注入一筆獨立、零均值、變異數 σ s t e p 2 \sigma_{step}^2 σ s t e p 2
的時間擾動。經過 Δ t \Delta t Δ t 共約 M = Δ t / T M=\Delta t/T M = Δ t / T 次 transition,獨立量相加變異數相加:
σ Δ t 2 = M σ s t e p 2 = Δ t T σ s t e p 2 ⇒ σ Δ t = σ s t e p T ⏟ ≡ κ Δ t = κ Δ t . \begin{aligned}
\sigma_{\Delta t}^2 &= M\,\sigma_{step}^2 = \frac{\Delta t}{T}\,\sigma_{step}^2 \\
\Rightarrow\quad \sigma_{\Delta t} &= \underbrace{\frac{\sigma_{step}}{\sqrt{T}}}_{\equiv\,\kappa}\sqrt{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t}.
\end{aligned} σ Δ t 2 ⇒ σ Δ t = M σ s t e p 2 = T Δ t σ s t e p 2 = ≡ κ T σ s t e p Δ t = κ Δ t .
Dimension check :κ \kappa κ 是 s \sqrt{\text{s}} s ,Δ t \sqrt{\Delta t} Δ t 是 s \sqrt{\text{s}} s ,
相乘得 s \text{s} s ✓。對照 [P1] 的頻域:σ Δ t ∝ Δ t \sigma_{\Delta t}\propto\sqrt{\Delta t} σ Δ t ∝ Δ t 對應頻域的
1/f² phase noise(兩者是同一件事的時域/頻域兩面)。
Numerical example :toy ring 設 per-edge σ s t e p = 50 \sigma_{step}=50 σ s t e p = 50 fs(見
ring_oscillator_timing_noise_accumulation.png 參數)。隔 Δ t = 1 \Delta t=1 Δ t = 1 µs(f 0 = 5 f_0=5 f 0 = 5 GHz
下約 5000 個週期)的累積 jitter:先求 κ \kappa κ 。若 T = 200 T=200 T = 200 ps,
κ = 50 fs / 200 ps = 50 × 10 − 15 / 2 × 10 − 10 = 3.54 × 10 − 9 s \kappa=50\text{fs}/\sqrt{200\text{ps}}=50\times10^{-15}/\sqrt{2\times10^{-10}}=3.54\times10^{-9}\ \sqrt{\text{s}} κ = 50 fs / 200 ps = 50 × 1 0 − 15 / 2 × 1 0 − 10 = 3.54 × 1 0 − 9 s ,
故 σ Δ t = 3.54 × 10 − 9 × 10 − 6 = 3.54 ps \sigma_{\Delta t}=3.54\times10^{-9}\times\sqrt{10^{-6}}=3.54\ \text{ps} σ Δ t = 3.54 × 1 0 − 9 × 1 0 − 6 = 3.54 ps 。手感:隔越久、偏越多,但只以 Δ t \sqrt{\Delta t} Δ t 慢慢長。
Python verification :
import numpy as np
from simulations . common . oscillator_models import accumulated_jitter_curve
lags , sigma = accumulated_jitter_curve ( f0 = 5e9 , sigma_edge = 50e-15 , max_lag_periods = 500 , n_trials = 2000 )
slope = np . polyfit ( np . log ( lags [ 1 : ] ) , np . log ( sigma [ 1 : ] ) , 1 ) [ 0 ]
print ( round ( slope , 2 ) )
完整 toy 推導在 lab_03_ring_oscillator_toy_model
(pedagogical toy model,非 transistor-level )。
Eq.(11)–(12):jitter 常數 κ 與 ISF 的關係(已核實 ✓)
Original formula ([P2] Eq.(11)–(12), p.793,比例關係):
κ 2 ∝ Γ r m s 2 q m a x 2 ⋅ i n 2 ‾ Δ f \kappa^2\;\propto\;\frac{\Gamma_{rms}^2}{q_{max}^2}\cdot\frac{\overline{i_n^2}}{\Delta f} κ 2 ∝ q ma x 2 Γ r m s 2 ⋅ Δ f i n 2
Meaning :jitter 比例常數 κ \kappa κ 由和 phase noise 一模一樣的 Γ r m s 2 / q m a x 2 \Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 Γ r m s 2 / q ma x 2
比例 決定(claim C6)。這把時域 jitter 與頻域 phase noise 綁在同一個 ISF 量上:壓低 phase
noise 的旋鈕同時壓低 jitter。
已核實 :[P2] Eq.(12), p.793 給 κ = Γ r m s q m a x 1 2 i n 2 ‾ Δ f \kappa=\frac{\Gamma_{rms}}{q_{max}}\sqrt{\tfrac12\tfrac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}} κ = q ma x Γ r m s 2 1 Δ f i n 2 (對照原始 PDF 渲染逐字確認);
與 phase noise 共用同一個 Γ r m s 2 / q m a x 2 \Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 Γ r m s 2 / q ma x 2 比例(claim C6)。
Eq.(14):ring 頻率與級數
Original formula ([P2] Eq.(14), p.794):
f 0 = 1 2 N τ D f_0=\frac{1}{2N\tau_D} f 0 = 2 N τ D 1
Meaning :N N N 級、每級延遲 τ D \tau_D τ D 的 ring,振盪頻率為此式。因子 2 來自訊號每個週期
要繞 ring 兩圈 (一圈反相、再一圈才回到同相)才完成一個完整週期。
Dimension check :1 / ( N ⋅ s ) = Hz 1/(N\cdot\text{s})=\text{Hz} 1/ ( N ⋅ s ) = Hz ✓(N N N 無因次)。
Numerical example :要做 f 0 = 5 f_0=5 f 0 = 5 GHz 的 5 級 ring,每級延遲
τ D = 1 / ( 2 × 5 × 5 × 10 9 ) = 2 × 10 − 11 s = 20 \tau_D=1/(2\times5\times5\times10^9)=2\times10^{-11}\ \text{s}=20 τ D = 1/ ( 2 × 5 × 5 × 1 0 9 ) = 2 × 1 0 − 11 s = 20 ps。級數加倍到 N = 10 N=10 N = 10
又要維持 5 GHz,每級延遲就得砍半到 10 ps——這正是「固定頻率時 N N N ↑ 必須讓每級更快、擺幅更
小」的由來,連到下面的 N-independence。
Eq.(16):rms ISF 隨級數的 scaling(v7 已重核 ✓)
Original formula ([P2] Eq.(16), p.794,根號只蓋常數項):
Γ r m s = 2 π 2 3 η 3 1 N 1.5 \Gamma_{rms}=\sqrt{\dfrac{2\pi^2}{3\eta^3}}\;\dfrac{1}{N^{1.5}} Γ r m s = 3 η 3 2 π 2 N 1.5 1
其中 η \eta η 是頻率比例常數(Eq.(14)–(15):t ^ D = η / f m a x \hat t_D=\eta/f_{max} t ^ D = η / f ma x 、2 π = 2 N η / f m a x 2\pi=2N\eta/f_{max} 2 π = 2 N η / f ma x );
η = 0.75 \eta=0.75 η = 0.75 時 2 π 2 / ( 3 × 0.75 3 ) ≈ 3.95 ≈ 4 \sqrt{2\pi^2/(3\times0.75^3)}\approx3.95\approx4 2 π 2 / ( 3 × 0.7 5 3 ) ≈ 3.95 ≈ 4 ,即 Γ r m s ≈ 4 / N 1.5 \Gamma_{rms}\approx4/N^{1.5} Γ r m s ≈ 4/ N 1.5 ,
就是 [P2] Fig. 8 的實線——根號只含常數,1 / N 1.5 1/N^{1.5} 1/ N 1.5 在根號外。
Meaning :Γ r m s ∝ N − 3 / 2 \Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} Γ r m s ∝ N − 3/2 (即 Γ r m s 2 ∝ N − 3 \Gamma_{rms}^2\propto N^{-3} Γ r m s 2 ∝ N − 3 )。
直覺:級數越多,每個 transition 在 2 π 2\pi 2 π 週期裡佔的「敏感時間窗」越窄、尖峰越矮,rms 自然變小。
[P2] Eq.(16), p.794(v7 已重核:根號只蓋常數,Γ r m s ∝ N − 3 / 2 \Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} Γ r m s ∝ N − 3/2 ;正文
4 / N 1.5 4/N^{1.5} 4/ N 1.5 @η = 0.75 \eta=0.75 η = 0.75 與 App.B Eq.(55) 三重驗證。v3 曾誤讀為 N − 3 / 4 N^{-3/4} N − 3/4 ) :
三重證據——(1) 正文(p.794,Eq.16 下一段)明寫「the 1 / N 1.5 1/N^{1.5} 1/ N 1.5 dependence of Γ r m s \Gamma_{rms} Γ r m s 」;
(2) η = 0.75 \eta=0.75 η = 0.75 數值錨:正文「solid line = Γ r m s ≈ 4 / N 1.5 \Gamma_{rms}\approx4/N^{1.5} Γ r m s ≈ 4/ N 1.5 , obtained from (16)
for η = 0.75 \eta=0.75 η = 0.75 」,且 2 π 2 / ( 3 × 0.75 3 ) = 3.95 ≈ 4 \sqrt{2\pi^2/(3\times0.75^3)}=3.95\approx4 2 π 2 / ( 3 × 0.7 5 3 ) = 3.95 ≈ 4 ✓(若 N 1.5 N^{1.5} N 1.5 在根號內
會得 4 / N 0.75 4/N^{0.75} 4/ N 0.75 ,與正文矛盾);(3) App.B Eq.(52)+(54)(p.803)獨立代數:
Γ r m s 2 = ( 1 / 3 π ) ( 1 / f r i s e ′ ) 3 ( 1 + A 3 ) \Gamma_{rms}^2=(1/3\pi)(1/f'_{rise})^3(1+A^3) Γ r m s 2 = ( 1/3 π ) ( 1/ f r i se ′ ) 3 ( 1 + A 3 ) 、2 π = η N ( 1 + A ) / f r i s e ′ 2\pi=\eta N(1+A)/f'_{rise} 2 π = η N ( 1 + A ) / f r i se ′ ,
代入整理得 Γ r m s 2 = ( 2 π 2 / 3 η 3 ) ⋅ [ 4 ( 1 + A 3 ) / ( 1 + A ) 3 ] ⋅ N − 3 \Gamma_{rms}^2=(2\pi^2/3\eta^3)\cdot[4(1+A^3)/(1+A)^3]\cdot N^{-3} Γ r m s 2 = ( 2 π 2 /3 η 3 ) ⋅ [ 4 ( 1 + A 3 ) / ( 1 + A ) 3 ] ⋅ N − 3 ;A = 1 A=1 A = 1 時中括號
為 1,故 Γ r m s 2 ∝ N − 3 ⇒ Γ r m s ∝ N − 3 / 2 \Gamma_{rms}^2\propto N^{-3}\Rightarrow\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} Γ r m s 2 ∝ N − 3 ⇒ Γ r m s ∝ N − 3/2 ✓。三者一致指向
N − 3 / 2 N^{-3/2} N − 3/2 ;並無「公式 vs 文字」不一致——是先前對根號範圍的誤讀。
Eq.(23):ring 白噪 phase noise FOM 與 N-independence(前置係數已更正為 8/(3η) 並核實)
Original formula ([P2] Eq.(23), p.796;V T = 0 V_T=0 V T = 0 的下限為 Eq.(25)):
L { Δ f } = 8 3 η ⋅ k T P ⋅ V D D V c h a r ⋅ ( f 0 Δ f ) 2 ( min V T = 0 : 16 γ 3 η ⋅ k T P ⋅ f 0 2 Δ f 2 ) \mathcal{L}\{\Delta f\}=\frac{8}{3\eta}\cdot\frac{kT}{P}\cdot\frac{V_{DD}}{V_{char}}\cdot\left(\frac{f_0}{\Delta f}\right)^2
\qquad\Big(\min_{V_T=0}:\ \frac{16\gamma}{3\eta}\cdot\frac{kT}{P}\cdot\frac{f_0^2}{\Delta f^2}\Big) L { Δ f } = 3 η 8 ⋅ P k T ⋅ V c ha r V D D ⋅ ( Δ f f 0 ) 2 ( V T = 0 min : 3 η 16 γ ⋅ P k T ⋅ Δ f 2 f 0 2 )
其中 γ \gamma γ 是 MOSFET 通道熱雜訊係數(長通道 2 / 3 2/3 2/3 ,短通道更大)、V c h a r V_{char} V c ha r 是元件的
characteristic voltage (長通道 ≈ Δ V / γ \approx\Delta V/\gamma ≈ Δ V / γ ),P P P 是功率耗散(Eq.(21):P = 2 η N V D D q m a x f 0 P=2\eta N V_{DD}q_{max}f_0 P = 2 η N V D D q ma x f 0 ),
每級雜訊由 Eq.(17),(18) i n 2 ‾ / Δ f = 4 k T γ μ C o x ( W / L ) Δ V \overline{i_n^2}/\Delta f=4kT\gamma\mu C_{ox}(W/L)\Delta V i n 2 /Δ f = 4 k T γ μ C o x ( W / L ) Δ V 給出。
Meaning :ring 白噪 phase noise 收成一個 figure of merit——只看 k T / P kT/P k T / P 、電壓比 V D D / V c h a r V_{DD}/V_{char} V D D / V c ha r
與 ( f 0 / Δ f ) 2 (f_0/\Delta f)^2 ( f 0 /Δ f ) 2 。關鍵結論(claim C7):Eq.(23) 裡完全沒有 N N N ——固定 f 0 f_0 f 0 與功率 P P P 時,
single-ended ring 的 phase noise 與級數 N N N 無關。
為何與 N N N 無關 :微觀上,N N N ↑ 會降 Γ r m s \Gamma_{rms} Γ r m s (Eq.16)但同時降每級擺幅 q m a x q_{max} q ma x 、又增加噪聲級數;
[P2] 證明這些效應在固定 P P P 、f 0 f_0 f 0 下剛好抵消,最後 Eq.(23) 不含 N N N 。所以「ring 要不要多加級數」
不是靠 phase noise 決定,而看相位裕度、調頻範圍、面積、quadrature 需求等其他考量。
校訂註記(v3) :[P2] Eq.(23) 的前置係數是 8 / ( 3 η ) 8/(3\eta) 8/ ( 3 η ) (η \eta η 為級延遲比例常數 Eq.14,≈ 1 \approx1 ≈ 1 );
γ \gamma γ 僅透過 V c h a r = Δ V / γ V_{char}=\Delta V/\gamma V c ha r = Δ V / γ 進入。(v2 曾誤改為 8 / ( 3 γ ) 8/(3\gamma) 8/ ( 3 γ ) 並誤標「逐字核實」,v3 已對照原始 PDF p.796 更正。)
V T = 0 V_T=0 V T = 0 的下限亦由此修為 16 γ / ( 3 η ) 16\gamma/(3\eta) 16 γ / ( 3 η ) 。γ \gamma γ (噪聲係數)與 η \eta η (頻率比例常數,Eq.14)是不同的量,勿混淆。
Eq.(31)–(35):差動 ring 的 phase noise——明含 N N N (已核實 ✓)
Original formulas ([P2] Sec. V-B, p.796,對照原始 PDF 渲染頁逐字核實):
功率(Eq.(31))與頻率(Eq.(32)):
P = N I t a i l V D D f 0 = 1 2 N t D ≈ 1 2 η N t r ≈ I t a i l 2 η N q m a x P=N\,I_{tail}\,V_{DD}
\qquad\qquad
f_0=\frac{1}{2Nt_D}\approx\frac{1}{2\eta N t_r}\approx\frac{I_{tail}}{2\eta N q_{max}} P = N I t ai l V D D f 0 = 2 N t D 1 ≈ 2 η N t r 1 ≈ 2 η N q ma x I t ai l
每個 single-ended 節點的雜訊(Eq.(33);差動電晶體+負載電阻 R L R_L R L 兩份,V c h a r = ( V G S − V T ) / γ V_{char}=(V_{GS}-V_T)/\gamma V c ha r = ( V GS − V T ) / γ
long-channel 平衡級、E c L / γ E_cL/\gamma E c L / γ short-channel):
i n 2 ‾ Δ f = ( i n 2 ‾ Δ f ) N + ( i n 2 ‾ Δ f ) L o a d = 4 k T I t a i l ( 1 V c h a r + 1 R L I t a i l ) \frac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}=\left(\frac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}\right)_{N}+\left(\frac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}\right)_{Load}=4kT\,I_{tail}\left(\frac{1}{V_{char}}+\frac{1}{R_L I_{tail}}\right) Δ f i n 2 = ( Δ f i n 2 ) N + ( Δ f i n 2 ) L o a d = 4 k T I t ai l ( V c ha r 1 + R L I t ai l 1 )
全環 2 N 2N 2 N 個節點(每級兩個輸出),總 phase noise 是單源的 2 N 2N 2 N 倍(p.796 原文:"The phase noise
and jitter due to all 2 N 2N 2 N noise sources is 2 N 2N 2 N times the value given by (6) and (12)."——這個 2 是
節點計數 ,不是 SSB 慣例的 2)。配上 Eq.(16) 的