用于SoC電源噪聲測量的低溫漂VCO
2021年電子技術應用第6期
翟鵬飛1，周 雄1，李 強1，2
1.電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都610054； 2.琶洲實驗室-人工智能與數字經濟廣東省實驗室，廣東 廣州510330
摘要： 提出了適用于片上系統(SoC)電源噪聲測量的帶兩級溫度補償的基于環路壓控振蕩器(ring VCO)的量化器。通過粗略和精細兩級溫度補償電路得到更低溫漂的ring VCO。在粗略補償一級中，將正比于溫(PTAT)的電流注入尾限流管控制的ring VCO中，用來補償VCO中較大的溫度系數；在精細補償一級中，用一個VCO復制電路來感知溫度的變化，并將感知到的溫度變化信息傳遞給量化器中的VCO，從而進一步自適應調整VCO量化器的振蕩頻率。基于40 nm工藝，設計一款工作在1.1 V電源電壓下的兩級溫度補償ring VCO，并對其進行了電路仿真，其輸出信號的振蕩頻率約為4.3 GHz，在-40 ℃～125 ℃的溫度變化范圍內，實現了15.5 ppm/℃的溫漂值。
中圖分類號： TN402
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201230
中文引用格式： 翟鵬飛，周雄，李強. 用于SoC電源噪聲測量的低溫漂VCO[J].電子技術應用，2021，47(6)：46-50，61.
英文引用格式： Zhai Pengfei，Zhou Xiong，Li Qiang. A low temperature drift VCO for SoC power supply noise measurement[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(6)：46-50，61.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201230
中文引用格式： 翟鵬飛，周雄，李強. 用于SoC電源噪聲測量的低溫漂VCO[J].電子技術應用，2021，47(6)：46-50，61.
英文引用格式： Zhai Pengfei，Zhou Xiong，Li Qiang. A low temperature drift VCO for SoC power supply noise measurement[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(6)：46-50，61.
A low temperature drift VCO for SoC power supply noise measurement
Zhai Pengfei1，Zhou Xiong1，Li Qiang1，2
1.School of Electronic Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China； 2.Pazhou Lab(Guangdong Artificial Intelligence and Digital Economy Laboratory(Guangzhou))，Guangzhou 510330，China
Abstract： This paper presents a two-stage temperature compensated ring VCO-based quantizer for on-chip power supply noise measurement. To achieve a lower temperature coefficient, the coarse and fine temperature compensated stages are both exploited. In the coarse stage, a proportional-to-absolute-temperature(PTAT) current injects in the current starved ring VCO to compensate the large part of the temperature coefficient of the VCO, and as the fine compensated stage, a replica VCO is employed to sense temperature variation and further adjust the oscillation frequency of the VCO adaptively. The ring VCO-based quantizer is operated at a 1.1 V supply. The simulation results show the output frequency of the VCO is 4.3 GHz, and it achieves a low temperature sensitivity of 15.5 ppm/℃ over the range from -40 ℃ to 125 ℃ with the two-stage temperature compensation.
Key words : temperature compensation；ring oscillator；VCO-based quantizer；power supply noise measurement
0 引言
在現代片上系統(SoC)中，電源電壓噪聲(PSN)問題變得越來越嚴重，尤其是當工藝尺寸不斷減小，電源電壓不斷下降時，甚至會引起使系統功能出錯的時序問題[1-6]。為了更好地對芯片進行設計、測試和調試，需要有效且準確地診斷PSN相關的問題，并對電源網絡進行建模[12-15]。
一種在片上測量電源中具有周期平穩特性的寬帶噪聲的方法是用兩個低速模數轉換器(ADC)來測量噪聲自相關函數，再對自相關函數進行傅里葉變化，得到的頻譜就是噪聲的功率譜[4，11]。因為電源上的噪聲一大部分是與系統的時鐘周期相關的，具有周期平穩特性，所以對周期平穩特性噪聲測量是很有意義的。低速ADC中的量化器可以采用基于環形壓控振蕩器(ring VCO)的結構，這種結構使得測量帶寬高達20 GHz[5-6]，滿足對片上高頻噪聲的測量需求。
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作者信息：
翟鵬飛1，周 雄1，李 強1，2
(1.電子科技大學 電子科學與工程學院，四川 成都610054；
2.琶洲實驗室-人工智能與數字經濟廣東省實驗室，廣東 廣州510330)
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