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Jitter and Phase Noise in Ring Oscillators

先備知識(建議先讀):先把 paper_001(ISF、Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^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 NN 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 σΔt=κΔt\sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t}ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2}(與「固定功率與頻率下幾乎與 NN 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、 ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} 的 scaling、以及「固定 f0f_0 與功率時 single-ended ring 的 phase noise/jitter 幾乎與級數 NN 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 Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^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 NN 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、Γrms\Gamma_{rms} 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):

  1. 與 [P1] 相同的 LTV/ISF 小擾動假設。
  2. 每級 device noise 為白噪(加上用 symmetry 處理的 1/f 成分)。
  3. 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,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):

σΔt=κΔt\sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t}

Meaning:自由振盪器相隔 Δt\Delta t 的兩個邊緣,其時間誤差的標準差正比於 Δt\sqrt{\Delta 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 是每顆 device 的比例常數,單位 s\sqrt{\text{s}}

Step-by-step derivation:每次 transition 注入一筆獨立、零均值、變異數 σstep2\sigma_{step}^2 的時間擾動。經過 Δt\Delta t 共約 M=Δt/TM=\Delta t/T 次 transition,獨立量相加變異數相加:

σΔt2=Mσstep2=ΔtTσstep2σΔt=σstepTκΔt=κΔt.\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}

Dimension checkκ\kappas\sqrt{\text{s}}Δt\sqrt{\Delta t}s\sqrt{\text{s}}, 相乘得 s\text{s} ✓。對照 [P1] 的頻域:σΔtΔt\sigma_{\Delta t}\propto\sqrt{\Delta 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 σstep=50\sigma_{step}=50 fs(見 ring_oscillator_timing_noise_accumulation.png 參數)。隔 Δt=1\Delta t=1 µs(f0=5f_0=5 GHz 下約 5000 個週期)的累積 jitter:先求 κ\kappa。若 T=200T=200 ps, κ=50fs/200ps=50×1015/2×1010=3.54×109 s\kappa=50\text{fs}/\sqrt{200\text{ps}}=50\times10^{-15}/\sqrt{2\times10^{-10}}=3.54\times10^{-9}\ \sqrt{\text{s}}, 故 σΔt=3.54×109×106=3.54 ps\sigma_{\Delta t}=3.54\times10^{-9}\times\sqrt{10^{-6}}=3.54\ \text{ps}。手感:隔越久、偏越多,但只以 Δt\sqrt{\Delta t} 慢慢長。

Python verification

import numpy as np
from simulations.common.oscillator_models import accumulated_jitter_curve

# toy 隨機漫步:每個 edge 加一筆 50 fs 的獨立 timing 擾動
lags, sigma = accumulated_jitter_curve(f0=5e9, sigma_edge=50e-15, max_lag_periods=500, n_trials=2000)
# 期望 sigma(lag) ~ sigma_edge * sqrt(lag) -> log-log 斜率 0.5
slope = np.polyfit(np.log(lags[1:]), np.log(sigma[1:]), 1)[0]
print(round(slope, 2)) # -> 0.50

完整 toy 推導在 lab_03_ring_oscillator_toy_modelpedagogical 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):

κ2    Γrms2qmax2in2Δf\kappa^2\;\propto\;\frac{\Gamma_{rms}^2}{q_{max}^2}\cdot\frac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}

Meaning:jitter 比例常數 κ\kappa和 phase noise 一模一樣的 Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^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=Γrmsqmax12in2Δf\kappa=\frac{\Gamma_{rms}}{q_{max}}\sqrt{\tfrac12\tfrac{\overline{i_n^2}}{\Delta f}}(對照原始 PDF 渲染逐字確認); 與 phase noise 共用同一個 Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 比例(claim C6)。

Eq.(14):ring 頻率與級數

Original formula([P2] Eq.(14), p.794):

f0=12NτDf_0=\frac{1}{2N\tau_D}

MeaningNN 級、每級延遲 τD\tau_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 check1/(Ns)=Hz1/(N\cdot\text{s})=\text{Hz} ✓(NN 無因次)。

Numerical example:要做 f0=5f_0=5 GHz 的 5 級 ring,每級延遲 τD=1/(2×5×5×109)=2×1011 s=20\tau_D=1/(2\times5\times5\times10^9)=2\times10^{-11}\ \text{s}=20 ps。級數加倍到 N=10N=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 NN↑ 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):

Γrms=2π23η3  1N1.5\Gamma_{rms}=\sqrt{\dfrac{2\pi^2}{3\eta^3}}\;\dfrac{1}{N^{1.5}}

其中 η\eta 是頻率比例常數(Eq.(14)–(15):t^D=η/fmax\hat t_D=\eta/f_{max}2π=2Nη/fmax2\pi=2N\eta/f_{max}); η=0.75\eta=0.752π2/(3×0.753)3.954\sqrt{2\pi^2/(3\times0.75^3)}\approx3.95\approx4,即 Γrms4/N1.5\Gamma_{rms}\approx4/N^{1.5}, 就是 [P2] Fig. 8 的實線——根號只含常數,1/N1.51/N^{1.5} 在根號外。

MeaningΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2}(即 Γrms2N3\Gamma_{rms}^2\propto N^{-3})。 直覺:級數越多,每個 transition 在 2π2\pi 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,ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2};正文 4/N1.54/N^{1.5}@η=0.75\eta=0.75 與 App.B Eq.(55) 三重驗證。v3 曾誤讀為 N3/4N^{-3/4}: 三重證據——(1) 正文(p.794,Eq.16 下一段)明寫「the 1/N1.51/N^{1.5} dependence of Γrms\Gamma_{rms}」; (2) η=0.75\eta=0.75 數值錨:正文「solid line = Γrms4/N1.5\Gamma_{rms}\approx4/N^{1.5}, obtained from (16) for η=0.75\eta=0.75」,且 2π2/(3×0.753)=3.954\sqrt{2\pi^2/(3\times0.75^3)}=3.95\approx4 ✓(若 N1.5N^{1.5} 在根號內 會得 4/N0.754/N^{0.75},與正文矛盾);(3) App.B Eq.(52)+(54)(p.803)獨立代數: Γrms2=(1/3π)(1/frise)3(1+A3)\Gamma_{rms}^2=(1/3\pi)(1/f'_{rise})^3(1+A^3)2π=ηN(1+A)/frise2\pi=\eta N(1+A)/f'_{rise}, 代入整理得 Γrms2=(2π2/3η3)[4(1+A3)/(1+A)3]N3\Gamma_{rms}^2=(2\pi^2/3\eta^3)\cdot[4(1+A^3)/(1+A)^3]\cdot N^{-3}A=1A=1 時中括號 為 1,故 Γrms2N3ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}^2\propto N^{-3}\Rightarrow\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2} ✓。三者一致指向 N3/2N^{-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;VT=0V_T=0 的下限為 Eq.(25)):

L{Δf}=83ηkTPVDDVchar(f0Δf)2(minVT=0: 16γ3ηkTPf02Δf2)\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)

其中 γ\gamma 是 MOSFET 通道熱雜訊係數(長通道 2/32/3,短通道更大)、VcharV_{char} 是元件的 characteristic voltage(長通道 ΔV/γ\approx\Delta V/\gamma),PP 是功率耗散(Eq.(21):P=2ηNVDDqmaxf0P=2\eta N V_{DD}q_{max}f_0), 每級雜訊由 Eq.(17),(18) in2/Δf=4kTγμCox(W/L)ΔV\overline{i_n^2}/\Delta f=4kT\gamma\mu C_{ox}(W/L)\Delta V 給出。

Meaning:ring 白噪 phase noise 收成一個 figure of merit——只看 kT/PkT/P、電壓比 VDD/VcharV_{DD}/V_{char}(f0/Δf)2(f_0/\Delta f)^2關鍵結論(claim C7):Eq.(23) 裡完全沒有 NN——固定 f0f_0 與功率 PP 時, single-ended ring 的 phase noise 與級數 NN 無關。

為何與 NN 無關:微觀上,NN↑ 會降 Γrms\Gamma_{rms}(Eq.16)但同時降每級擺幅 qmaxq_{max}、又增加噪聲級數; [P2] 證明這些效應在固定 PPf0f_0 下剛好抵消,最後 Eq.(23) 不含 NN。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/(3η)8/(3\eta)η\eta 為級延遲比例常數 Eq.14,1\approx1); γ\gamma 僅透過 Vchar=ΔV/γV_{char}=\Delta V/\gamma 進入。(v2 曾誤改為 8/(3γ)8/(3\gamma) 並誤標「逐字核實」,v3 已對照原始 PDF p.796 更正。) VT=0V_T=0 的下限亦由此修為 16γ/(3η)16\gamma/(3\eta)γ\gamma(噪聲係數)與 η\eta(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 NN(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=NItailVDDf0=12NtD12ηNtrItail2ηNqmaxP=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}}

每個 single-ended 節點的雜訊(Eq.(33);差動電晶體+負載電阻 RLR_L 兩份,Vchar=(VGSVT)/γV_{char}=(V_{GS}-V_T)/\gamma long-channel 平衡級、EcL/γE_cL/\gamma short-channel):

in2Δf=(in2Δf)N+(in2Δf)Load=4kTItail(1Vchar+1RLItail)\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)

全環 2N2N 個節點(每級兩個輸出),總 phase noise 是單源的 2N2N 倍(p.796 原文:"The phase noise and jitter due to all 2N2N noise sources is 2N2N 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 Γrms\Gamma_{rms},收成(Eq.(34)/(35),L\mathcal{L} 即論文的 L{Δf}L\{\Delta f\}):

Lmin{Δf}=83ηNkTP(VDDVchar+VDDRLItail)f02Δf2\mathcal{L}_{min}\{\Delta f\}=\frac{8}{3\eta}\cdot N\cdot\frac{kT}{P}\cdot\left(\frac{V_{DD}}{V_{char}}+\frac{V_{DD}}{R_L I_{tail}}\right)\cdot\frac{f_0^2}{\Delta f^2} κmin=83ηNkTP(VDDVchar+VDDRLItail)\kappa_{min}=\sqrt{\frac{8}{3\eta}}\cdot\sqrt{N\cdot\frac{kT}{P}\cdot\left(\frac{V_{DD}}{V_{char}}+\frac{V_{DD}}{R_L I_{tail}}\right)}

原文明述兩式 "valid in both long- and short-channel regimes of operation with the right choice of VcharV_{char}";bipolar 差動 ring 的 shot+load noise(Eq.(36), p.797)併回同兩式Vchar=4kT/qeV_{char}=4kT/q_e

Meaning:與 single-ended 的 Eq.(23) 只差兩處——多了明含的 NN、括號多了負載那份 VDD/(RLItail)V_{DD}/(R_L I_{tail})。固定 f0f_0PP 下,差動 ring 的 phase noise NN 變差ΔL=10log10(N2/N1)\Delta\mathcal{L}=10\log_{10}(N_2/N_1),jitter 則 κminN\kappa_{min}\propto\sqrt N)—— N-independence 的失落另一半。

Why the NN appears(指數記帳,固定 PPf0f_0、固定 swing):P=NItailVDDP=NI_{tail}V_{DD}靜態 記帳(不像 Eq.(21) 綁著 f0f_0),固定 PPItail1/NI_{tail}\propto1/N;Eq.(32) 再逼 qmax=Itail/(2ηNf0)1/N2q_{max}=I_{tail}/(2\eta Nf_0)\propto1/N^2(p.797 原文逐字:"…reduce the swing, and hence qmaxq_{max}, by a factor of 1/N21/N^2")。於是 2NΓrms2Si/qmax2NN3N1N4=N+12N\cdot\Gamma_{rms}^2\cdot S_i/q_{max}^2\propto N\cdot N^{-3}\cdot N^{-1}\cdot N^{4}=N^{+1}。 完整逐項表與 worked example 見 lc_vs_ring 第 2b 步

[P2] 結論句(pp.796–797,逐字):"Note that, in contrast with the single-ended ring oscillator, a differential oscillator does exhibit a phase noise and jitter dependency on the number of stages, with the phase noise degrading as the number of stages increases for a given frequency and power dissipation."

Numerical examplef0=5f_0=5 GHz、Δf=1\Delta f=1 MHz、kT=4.0×1021kT=4.0\times10^{-21} J、P=1P=1 mW、 η1\eta\approx1VDD/Vchar=3V_{DD}/V_{char}=3VDD/(RLItail)=2V_{DD}/(R_LI_{tail})=2(固定 swing):N=4N=482.7-82.7 dBc/Hz、N=12N=1278.0-78.0 dBc/Hz,ΔL=10log103=+4.77\Delta\mathcal{L}=10\log_{10}3=+4.77 dB; κmin\kappa_{min}×31.732\times\sqrt3\approx1.732。(絕對值繼承 [P2] 的 SSB 記帳,與 [P1] Eq.(21) 分母的 4 同族;時域 /2/2 慣例整體 +3+3 dB。ΔL\Delta\mathcal{L} 是相減,兩種慣例相同。)

Python verification

import numpy as np
def L_ring_diff(N, kT, P, f0, df, eta=1.0, vdd_vchar=3.0, vdd_swing=2.0): # [P2] Eq.(34)
return 10*np.log10(8/(3*eta) * N * (kT/P) * (vdd_vchar + vdd_swing) * (f0/df)**2)
L4 = L_ring_diff(4, 4.0e-21, 1e-3, 5e9, 1e6)
L12 = L_ring_diff(12, 4.0e-21, 1e-3, 5e9, 1e6)
print(round(L4,1), round(L12,1), round(L12-L4,2)) # -> -82.7 -78.0 4.77

設計一行話:single-ended=NN-free(Eq.23);差動=最少級數的贏(Eq.34,每加倍 +3.01+3.01 dB)—— NN 由 phase margin/quadrature/多相位需求決定下限,別多加。tail 源近 f0f_0 的雜訊「surprisingly」 不進 phase noise(p.796),進的是低頻(symmetry 路)與偶次諧波附近(可用 LC 濾)。

Key figures

論文圖內容本站對應
Fig. 5793同頻、不同級數 NN(3/5/15)的 ISF 疊圖scaling 直覺(ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2}
Fig. 6793single-ended ring 單級的近似波形與 ISF(能量集中在 transition)toy 三角 ISF(lab_03)
Fig. 8794不同級數 ring 的 rms ISF vs NN,實線為 Eq.(16) 在 η=0.75\eta=0.75 時的 Γrms4/N1.5\Gamma_{rms}\approx4/N^{1.5}lc_vs_ring_isf_comparison.png 的 scaling 論證
Fig. 9795差動 ring 的 rms ISF vs NN,三種約束情境(fixed power/fixed swing、fixed power/fixed RLR_L、fixed tail current/fixed RLR_L差動 ring 沿用 Eq.(16) scaling 的實證(Eq.(34) 推導的前提)
Fig. 17802phase noise vs symmetry(控制)電壓,在對稱點有極小值symmetry 設計法則的直接實驗佐證

Fig. 17 是 symmetry 法則的鐵證:把控制電壓掃過,調到 PMOS 上拉電流 = NMOS 下拉電流、 波形上下對稱的那一點,c0c_0 被壓到最小、1/f³ 上轉被抑制,phase noise 出現一個碗底。這直接 驗證 [P1] Eq.(24)(claim C4)。

本站用 toy model 對照 LC(sin-\sin)與 ring(三角 ISF、峰隨 NN 變矮),非 transistor-level

LC 與 ring 的 ISF 對照(toy) ring 累積 jitter 隨時間以 √Δt 長大(toy)

Design insights

  • jitter 與 phase noise 同源:壓低 Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 同時降低兩者;別把 long-term jitter 與 close-in phase noise 當兩件事處理。
  • 加級數不是 phase noise 的解藥:single-ended 固定 f0f_0PP 下 phase noise 近似與 NN 無關 (結論已核實);差動 ring 更要少級——Eq.(34) 明含 NN,固定 f0f_0PP 下每加倍級數 +3.01+3.01 dB。加級數的真正理由是 quadrature/多相位輸出、調頻範圍、相位裕度。
  • 對稱性是 close-in noise 的主旋鈕:調 rise/fall 對稱(如 Fig. 17 的控制電壓)壓 c0c_0、 推遠 1/f³ corner。差動 ring(differential)的對稱性通常比 single-ended 好。
  • transition 越陡越好:能量集中在 transition,斜率越大、qmaxq_{max} 越大、Γrms\Gamma_{rms} 相對越小。

設計面整理見 lc_vs_ringsymmetry; SerDes 觀點見 serdes_clocking_connection

Limitations

照 paper_metadata(paper_002.limitations):

  • toy/一階:短通道效應與細部 device noise 是近似的。
  • N-independence 結論只對 single-ended ring、在固定功率、固定頻率與特定 noise 模型下成立([P2] Sec.V, Eq.(23)/(25), p.796,已核實,claim C7);差動 ring 反而明含 NN(Eq.(34), p.796,已核實)。
  • substrate/supply noise 是分開、定性處理的。

Relationship to other papers

  • [P1] 是地基:本頁的 jitter κ\kappaΓrms\Gamma_{rms}、symmetry 全用 [P1] 的 ISF 與 Eq.(21)/(24)。
  • [P3]/[P4] 也用 ring 當載具([P4] 的 ILFD/prescaler 就是 inverter-chain ring),把 ISF 從 phase noise 延伸到 injection。
  • [P5] 與本頁無關;但 latch-based/差動 ring 的起振也靠 cross-coupled 正回授(claim C12 的 邊角橋樑)。

延伸閱讀 / 對應教學頁

本頁的哪一塊對應教學頁那頁多給你什麼
LC(sin-\sin)vs ring(集中於 transition)的 ISF 對照、N-scaling 論證lc_vs_ring兩種拓樸的 Γrms\Gamma_{rms}qmaxq_{max}、phase noise 取捨整理成設計表
Eq.(8) accumulated jitter σΔt=κΔt\sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t} 的隨機漫步lab_03_ring_oscillator_toy_model可跑的 toy model:每 edge 加獨立擾動,log-log 斜率驗證 Δt\sqrt{\Delta t}pedagogical toy,非 transistor-level
Fig. 17 對稱點的 phase noise 碗底、c0c_0 與 1/f³ cornersymmetryrise/fall 對稱如何壓 c0c_0、differential vs single-ended、設計旋鈕

怎麼讀:本頁是「論文怎麼把 [P1] 套到 ring」的故事;想動手看 jitter 怎麼以 Δt\sqrt{\Delta t} 長大,回 lab_03;想把結論變成拓樸選型,回 lc_vs_ring 與 symmetry。SerDes 觀點另見 serdes_clocking_connection

What to remember

  • accumulated jitter σΔt=κΔt\sigma_{\Delta t}=\kappa\sqrt{\Delta t}:自由振盪器的隨機漫步指紋([P2] Eq.(8), p.792)。
  • κ\kappa和 phase noise 同一個 Γrms2/qmax2\Gamma_{rms}^2/q_{max}^2 決定([P2] Eq.16/23,已核實)。
  • ΓrmsN3/2\Gamma_{rms}\propto N^{-3/2}([P2] Eq.(16), p.794,v7 已重核:根號只蓋常數,正文 4/N1.54/N^{1.5}@η=0.75\eta=0.75 與 App.B Eq.(55) 三重驗證);但固定 f0f_0PP 下 phase noise 幾乎與 NN 無關([P2] Eq.(23) 無 NN,claim C7,已核實)。
  • 差動 ring 相反:[P2] Eq.(34), p.796 明含 NNqmax1/N2q_{max}\propto1/N^2,p.797 原文),固定 f0f_0PP 下 phase noise 隨 10log10N10\log_{10}N 惡化(N=412N=4\to12+4.77+4.77 dB);差動設計用最少必要級數。
  • Fig. 17:對稱點 phase noise 有碗底——symmetry 法則的鐵證(claim C4)。
  • ring 比 LC 好整合,但 phase noise 通常較差;本頁告訴你旋鈕在哪。