Automated Oscillator Macromodelling Techniques ... - Semantic Scholar

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Automated Oscillator  Macromodelling Techniques for  Capturing Amplitude Variations and  Injection Locking Xiaolue Lai, Jaijeet Roychowdhury ECE Dept., University of Minnesota, Minneapolis

December 10, 2004

Slide 1

Oscillators and Perturbation Oscillators are very important in RF and digital  circuits Information carrier, clock generator, ...

Phase response to perturbation is the major  concern Phase is important Phase is sensitive to perturbation

Two major phase responses  Injection locking Timing jitter/phase noise December 10, 2004

Slide 2

Periodic Input: Injection Locking If the oscillator is under periodic perturbation

­

i=f(v)

(eg, substrate/supply coupling from other ckts)  Periodic perturbation injected

The oscillator “forgets” its natural frequency  Its frequency “locks” to external frequency  Exploited in modern designs to improve  phase/frequency stability and pulling performance December 10, 2004

Slide 3

Transient simulation of locking process 1.5

Oscillator waveform

Injection signal

0

-1.5

0

500T

1000T

2

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

0

0

-0.5

-0.5

-1

-1

-1.5

-1.5

0

0.5 Tim e (s)

1

-8

x 10

Not locked in the beginning (note phase shifts) December 10, 2004

4.9

4.92

1500T

4.94

4.96

Tim e (s)

4.98

-6

x 10

Locked after 1000 cycles  (with phase shift)  Slide 4

Conditions for Injection Locking 0.1 0.09

Frequency  difference Max locking  range

0.08 0.07

 0 0

0.06 0.05 0.04

  Locking area

0.03 0.02

Injection  amplitude

0.01 0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

V inj V0

If NOT locked Large amplitude variations (periodic beat notes) December 10, 2004

Slide 5

Amplitude Variations (unlocked  driven oscillator) 1 i

inj

= 0.1A sin(2 π 1.06f t ) (Full sim ulat ion) 0 0

Volt age (v)

0.5

Periodic beat  notes

0

-0.5

-1

0

20

40

60

80

100

t /T December 10, 2004

Slide 6

SPICE­level simulation: not ideal for  oscillators Transient Simulation is Inefficient Many timesteps for each cycle (accuracy) Many (thousands/millions) cycles needed in  simulation Transient Simulation is Inaccurate difficult to extract phase information Numerical integration errors

December 10, 2004

Slide 7

Previous Work on Injection Locking Adler's equation (1946) Analytical equation relates maximum locking range and injection amplitude applicable only to simple LC oscillator (with explicit Q  factor)

Linear oscillator phase macromodels LTI models LPTV models Linear phase models cannot capture injection locking December 10, 2004

Slide 8

Contributions of this work Fast, accurate prediction of injection locking  AND unlocked amplitude variations Via nonlinear oscillator macromodel Demir/Mehrotra/Roychowdhury: Phase Noise in  Oscillators: ..., IEEE Trans CAS I 2000 automatically extracted from SPICE­level circuit)

Applicable to any kind of oscillator Our method applies  to ANY  oscillator! LC, ring, lasers, ... Bonus: semi­analytical equation for maximum  locking range of oscillators

Proof: linear models (LTI/LTV) cannot capture  injection locking December 10, 2004

Slide 9

Nonlinear phase macromodel (PPV)

Nonlinear scalar differential equation

Phase  error

perturbation projection  vector (PPV)

Perturbation

Details/derivation: Demir/Mehrotra/Roychowdhury: Phase  Noise in Oscillators: ..., IEEE Trans CAS I 2000 December 10, 2004

Slide 10

Phase slippage between oscillator  and injection signal Phase of the  injected signal 

80

phase (radian)

70 60

Phase slippage 

50 40 30 20 10 00

Ph ase of th e oscillator 0.5

time (s)

December 10, 2004

1

Phase of the  oscillator 

-8

x 10

Slide 11

Predicting Injection Locking If locked: phase error           should make up the   phase slippage

Use nonlinear phase equation to predict  Locking test: does phase error grow linearly with  slope          ? December 10, 2004

Slide 12

Macromodelling Amplitude Variations Simulate the oscillator to  steady state Calculate phase  error          

Linearize the oscillator  over steady state 

Calculate the PPV 

Linearize the oscillator      over 

December 10, 2004

Phase error /  nonlinear time  shift

Slide 13

Capture the amplitude variation Phase error /  nonlinear time  shift

Floquet decompose the  new LPTV system

Reduce the system by  dropping fast fading  Floquet exponents

Rebuild the system  equations for this  smaller system December 10, 2004

Slide 14

Macromodelling Amplitude Variations

Steady state of  the oscillator

December 10, 2004

Phase Error

Amplitude  variations

Slide 15

­

i=f(v)

Negative resistance LC oscillator

0.01

Current ­­>

b(t)

0.005

0

-0.005

-0.01 -1

-0.5

0

0.5

1

Voltage ­­> December 10, 2004

Slide 16

LC osc: Max locking range vs  injection strength Nonlinear macromodel

0.15

Reference (full simulation) 0.1

Adler eqn 0.05

0

December 10, 2004

0

5

10

15

20

25

Slide 17

LC osc: Amplitude variations -1 0

Phase error

8 6 4 2 0 -2

0

1

20

40

t/T

60

80

100

0

-0.1

0

1

Macromodel

0.5

0

-0.5

-1

Amplitude variations

December 10, 2004

20

40

t/T

40

60

80

100

60

80

100

Full simulation

0.5

0

-0.5

-1 0

20

t/T Oscillation voltage (v)

Phase deviation (s)

10

Oscillation voltage (v)

0.1

Amplitude variation (v)

x 10

12

0

20

40

t/T

60

80

100

Slide 18

LC Osc: Amplitude variations (detail) 1

Macromodel Full simulation

0.8

0.6

Oscillation voltage (v)

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

  29 times speedup

-0.8

-1

25

30

35

40

t/T December 10, 2004

Slide 19

LC osc: alpha equation range of validity Full simulation Macromodel

1

0.5

0

­0.5

Good match

Macromodel is  not suitable

Good match

0.5

0

-0.5

-1 0

20

40

60

t /T

December 10, 2004

80

0

20

40

60

t /T

80

0

20

40

60

80

t /T

Slide 20

3­stage ring oscillator: locking range  vs injection strength 0.25

0.2

Reference (full simulation)

0.15

Nonlinear macromodel

0.1

0.05

0

December 10, 2004

Adler equation does not apply  to non­LC oscillators 0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Slide 21

3­stage ring: range of validity 0.5

   35 times speedup

0

­0.5

Full simulation

Macromodel

1

Good match

Good match

Macromodel is  Not suitable

0.5

0

-0.5

0

20

December 10, 2004

40

t /T

60

80

0

20

40

t /T

60

80

Slide 22

Colpitts oscillator (LC) Courtesy: Madhavan Swaminathan, Georgia Institute of Technology Rp=50 1

Cp=1p 0.4p

L1=2.1n

Rb=22k

Cm=0.6p 3

5

2

Rl=200

Cb=1.5p

December 10, 2004

4

C1=1p

Re=100

C2=2.3p

Slide 23

Colpitts: max locking range vs injection  strength

Nonlinear macromodel

0.12

0.1

Reference (full simulation)

0.08

0.06

0.04

0.02

Adler eqn 0 0

10

20

30

40

50

Injection amplitude (mV) December 10, 2004

Slide 24

Colpitts: Amplitude variations -11

5

Phase error

Phase shift (s)

4 3

2 1 0 -1 0

50

150

Macromodel

20 15 10 5 0 -5

-10 0

December 10, 2004

50

100 time (t/T)

10 8 6

Amplitude variations

4 2 0 -2 -4

100 times speedup

-6 -8

0

50

25 Oscillation current (mA)

Oscillation current (mA)

25

100

Amplitude variation (mA)

x 10

150

100

150

200

150

200

Full simulation

20 15 10 5 0

-5 -10 200 0

50

100 time (t/T)

Slide 25

Conclusions Our oscillator macromodelling technique is ideal for  capturing injection locking and amplitude variation in  oscillators Injection locking prediction Efficient, semi­analytical equation Applicable to any oscillator Amplitude variation Efficient, more than 100 times speedup for a small  oscillator circuit Accurate in its validity range Current work:  Using Krylov­subspace­based method to reduce the   LPTV system. December 10, 2004

Slide 26