用于SoC电源噪声测量的低温漂VCO
2021年电子技术应用第6期
翟鹏飞1，周 雄1，李 强1，2
1.电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都610054； 2.琶洲实验室-人工智能与数字经济广东省实验室，广东 广州510330
摘要： 提出了适用于片上系统(SoC)电源噪声测量的带两级温度补偿的基于环路压控振荡器(ring VCO)的量化器。通过粗略和精细两级温度补偿电路得到更低温漂的ring VCO。在粗略补偿一级中，将正比于温(PTAT)的电流注入尾限流管控制的ring VCO中，用来补偿VCO中较大的温度系数；在精细补偿一级中，用一个VCO复制电路来感知温度的变化，并将感知到的温度变化信息传递给量化器中的VCO，从而进一步自适应调整VCO量化器的振荡频率。基于40 nm工艺，设计一款工作在1.1 V电源电压下的两级温度补偿ring VCO，并对其进行了电路仿真，其输出信号的振荡频率约为4.3 GHz，在-40 ℃～125 ℃的温度变化范围内，实现了15.5 ppm/℃的温漂值。
中图分类号： TN402
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201230
中文引用格式： 翟鹏飞，周雄，李强. 用于SoC电源噪声测量的低温漂VCO[J].电子技术应用，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.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201230
中文引用格式： 翟鹏飞，周雄，李强. 用于SoC电源噪声测量的低温漂VCO[J].电子技术应用，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
在现代片上系统(SoC)中，电源电压噪声(PSN)问题变得越来越严重，尤其是当工艺尺寸不断减小，电源电压不断下降时，甚至会引起使系统功能出错的时序问题[1-6]。为了更好地对芯片进行设计、测试和调试，需要有效且准确地诊断PSN相关的问题，并对电源网络进行建模[12-15]。
一种在片上测量电源中具有周期平稳特性的宽带噪声的方法是用两个低速模数转换器(ADC)来测量噪声自相关函数，再对自相关函数进行傅里叶变化，得到的频谱就是噪声的功率谱[4，11]。因为电源上的噪声一大部分是与系统的时钟周期相关的，具有周期平稳特性，所以对周期平稳特性噪声测量是很有意义的。低速ADC中的量化器可以采用基于环形压控振荡器(ring VCO)的结构，这种结构使得测量带宽高达20 GHz[5-6]，满足对片上高频噪声的测量需求。
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作者信息：
翟鹏飞1，周 雄1，李 强1，2
(1.电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都610054；
2.琶洲实验室-人工智能与数字经济广东省实验室，广东 广州510330)
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