phase accuracy quadrature PLL

kevinwjs

1 Overview 19
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Previous Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.1 Tuning Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.2 Quadrature Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3 PLL Design Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Voltage-Controlled Oscillator Design and Analysis 31
2.1 Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Tuning Range Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Quadrature Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.1 Theory of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 How Quadrature Loop A®ects Phase Noise . . . . . . . . . . . 42
2.3.3 E®ect of Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4 First Approach to Force One Mode of Quadrature . . . . . . . 47
2.3.5 Revised Approach to Forcing One Mode of Quadrature . . . . 51
2.4 Common mode control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5 Amplitude control loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.1 Peak Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.2 Loop Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.3 Interaction With Common Mode Control Loop . . . . . . . . 59
2.6 Operational Transconductance Ampli¯er . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7
3 Phase-Locked Loop Design 65
3.1 Loop Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Phase-Frequency Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Current-Mode Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3 Charge Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 Compensation for Variation in VCO Gain . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 Loop Filter Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5 Control Voltage Bu®er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4 Simulation Results 81
4.1 Simulation Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 VCO Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Startup Transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 Response to Step in Power Supply Voltage . . . . . . . . . . . 86
4.2.3 Tuning Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.4 Process and Temperature Variations . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.5 Quadrature Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.6 Phase Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 PLL Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 Startup Transients and Settling . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.2 Response to Step in Power Supply Voltage . . . . . . . . . . . 99
4.3.3 Steady State Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 Conclusion 103
5.1 Design Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Future Extensions and Major Contributions . . . . . . . . . . . . . . 105

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