Erweiterung der ereignisgesteuerten Modellierung von Mixed-Signal-Phasenregelschleifen für einen optimalen Entwurf

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 205942995

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Am Beispiel des Phasenregelkreises beschäftigt sich dieses Projekt mit der Optimierung des Entwurfsverfahrens von MS Systemen. Hierzu wird die hoch effiziente ereignisgesteuerte Modellierung nach Hedayat verallgemeinert und erweitert, um nichtlineare und nicht-ideale Effekte für Fractional-N PLLs beliebiger Ordnung zu berücksichtigen. Die Verallgemeinerung basiert auf der Zustandsraumdarstellung des Schleifenfilters und den numerischen Lösungsverfahren zur Bestimmung des Ereigniszeitpunktes des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO). Ein Vorteil dieser Realisierung ist die Möglichkeit beliebige Architekturen und Ordnungen des Schleifenfilters und eine nichtlineare Charakteristik des VCOs zu berücksichtigen. Des Weiteren wird im verallgemeinerten ereignisgesteuerten Modell das Teilerverhältnis nicht als konstant angenommen, wodurch sich eine Fractional-N PLL modellieren lasst. Die Erweiterung des Modells bezieht sich auf die Berücksichtigung der nicht-idealen Effekte Phasenrauschen, Totzeit, Leckstrom, endliche Steigung und Überschwinger der Signale, nichtlineare Kennlinie des VCOs, Laufzeiten des Dividierers und einer spannungsabhängigen Amplitude des Stroms. Zur Validierung des resultierenden Modells werden Verhaltens- und Transistorlevel-Simulationen mittels kommerzieller und etablierter Software durchgeführt. Das ereignisgesteuerte Modell bildet das dynamische Verhalten sehr genau ab (rel. RMS Fehler < 0,1%), wobei der Geschwindigkeitsgewinn gegenuber einer Transistorlevel-Simulation zwischen 10 und 100 Tausend liegt. Messungen an einem Evaluationskit bestätigen die Genauigkeit des eingeführten ereignisgesteuerten Modells (rel. RMS Fehler < 0,5%). Mit Hilfe dieser Optimierungen wird die schaltende und nicht-ideale PLL charakterisiert und der Zusammenhang zwischen Phasenrauschen und nicht-idealer Effekte erarbeitet. Diese Erkenntnisse können fur einen optimierten und robusten Systementwurf herangezogen werden. Anschließend wird dieser Ansatz auf die spannungsgesteuerte CP-PLL erweitert, wobei die Stabilität und das dynamische Verhalten untersucht werden. Zur Verdeutlichung der Flexibilität des ereignisgesteuerten Ansatzes wird eine PLL zur Takt- und Datenrückgewinnung entsprechend modelliert und mit einem Verhaltensmodell validiert. Für die Stabilitätsuntersuchung der CP-PLL dritter Ordnung wird das ereignisgesteuerte Modell zur Herleitung von autonomen Differenzengleichungen verwendet. Mit Hilfe dieser Gleichungen wird eine analytische Stabilitätsbedingung eingeführt, die etwas konservativer als die etablierten Stabilitätsgrenzen ist. Mittels einer umfangreichen simulativen Analyse der schaltenden und nichtlinearen PLL anhand des ereignisgesteuerten Modells wird gezeigt, dass die etablierten Grenzen nicht konservativ genug sind und die Stabilität nicht präzise vorhersagen, falls die Anfangsbedingungen des Regelkreises nicht nahe der Ruhelage sind. Die hier hergeleitete und konservativere Bedingung ermöglicht eine verlässliche Beurteilung der Stabilität und ist zudem, durch den lediglich quadratischen Charakter, deutlich effizienter auszuwerten. Das hier vorgestellte erweiterte ereignisgesteuerte Modell stellt ein effizientes Werkzeug für den Top-Down orientierten Entwurf und die Charakterisierung von gemischt digital analogen Systemen dar. Im Speziellen bei Phasenregelkreisen lassen sich die nichtlinearen und nicht-idealen Effekte berücksichtigen, um die Dynamik des Systems sehr präzise nachzubilden und einen drastischen Simulationszeitgewinn gegenüber Transistorlevel-Simulationen zu erzielen. Die Möglichkeit die einzelnen nicht-idealen Effekte mittels einfacher Parameter darzustellen, bietet dem Entwurfsingenieur eine schnelle Abschätzung der jeweiligen Einflüsse auf die Regelung und einen optimierten und robusten Schaltungsentwurf. Darüber hinaus stellen die, aus dem ereignisgesteuerten Modell abgeleiteten, analytischen Entwurfskriterien eine Erweiterung des Entwurfsprozesses auf nichtlineare und nichtideale Effekte dar.

Publications

• Event-Driven Simulation of the 2nd Order Voltage Operated Charge-Pump PLL. In: SAME 2012, 15th Edition, 2012
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• Enhanced Event-Driven Modeling of a CP-PLL with Nonlinearities and Nonidealities. In: 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2013 IEEE, 2013 - ISSN 1548-3746, S. 309-312
  Hangmann, C.; Hedayat, C.; Hilleringmann, U.
  
• Simulative Characterization of the Stability for Second Order Voltage Switched CP-PLL. In: IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2013. - ISSN 1548-3746, S. 153-156
  Ali, E.; Rahajandraibe, W.; Haddad, F.; Hedayat, C.; Hangmann, C.
  
• Extended Event-Driven Modeling of a Sigma-Delta-Fractional-N PLL Including Non-Ideal Effects. In: 21st International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), 2014
  Hangmann, C.; Hedayat, C.; Hilleringmann, U.
  
• Modeling and Characterization of CP-PLL Phase Noise in Presence of Dead Zone. In: New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), 2014 IEEE 12th International, 2014, S. 349-352
  Hangmann, C.; Wüllner, I.; Hedayat, C.; Hilleringmann, U.
  
• Simulations of 3rd order voltage switched CP-PLL using a fast event switching macromodeling. In: 57th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2014 IEEE, 2014. - ISSN 1548-3746, S. 491-494
  Ali, E.; Rahajandraibe, W.; Haddad, F.; Hangmann, C.; Hedayat, C.
  
• Stability Analysis of a Charge Pump Phase-Locked Loop using Autonomous Difference Equations. In: IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers 61 (2014), Sept, Nr. 9, S. 2569-2577 - ISSN 1549-8328
  Hangmann, C.; Hedayat, C.; Hilleringmann, U.
  
• Fast and Accurate Event-Driven Simulation of a Mixed-Signal System Using the Example of a PLL. In: Smart System Integration - International Conference and Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems, 2015. - ISBN 978-3-86359-296-7, S. 396-401
  Hangmann, C.; Hedayat, C.; Hilleringmann, U.
  
• Modeling & PVT Characterization of arbitrary ordered VSCP- PLL using an Efficient Event-Driven Approach. In: New Circuits and Systems Conference (NEWCAS), 2015 IEEE 13th International, 2015
  Ali, E.; Rahajandraibe, W.; Tall, N.; Haddad, F.; Hangmann, C.; Hedayat, C.