Modélisation du bruit de phase et de la gigue d'une PLL, pour les liens séries haut débit

PLL Phase Noise & Jitter Modeling, for High Speed Serial Links

• Auteur / Autrice : Klodjan Bidaj
• Direction : Jean-Baptiste Begueret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 30/11/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Dallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Dallet, Andrea Mazzanti, Florence Azais, Jérôme Deroo, William Thies
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Salvador Mir
• DOI : 10.70675/a2c86d9bzc73bz404dza448z4410475c5fe0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de phase

Boucles d'asservissement de phase

Traitement du signal

Mots clés libres

Bruit de phase

Gigue

Taux d’erreur

Décomposition de la gigue

Décomposition de la gigue

SerDes

Analyse temps-fréquence

Boucle d’asservissement de phase

Gigue aléatoire

Gigue déterministe

Génération de bruit coloré

Génération de bruit blanc

Phase Noise

Jitter

BER

Jitter decomposition

High speed serial links,

SerDes

Time-frequency analysis

PLL

RJ

DJ

Colored noise generation

White noise generation

Résumé

La vitesse des liens séries haut débit (USB, SATA, PCI-express, etc.) a atteint les multi-gigabits par seconde, et continue à augmenter. Deux des principaux paramètres électriques utilisés pour caractériser les performances des SerDes sont la gigue transmis à un niveau de taux d’erreur donné et la capacité du récepteur à suivre la gigue à un taux d’erreur donné.Modéliser le bruit de phase des différents components du SerDes, et extraire la gigue temporelle pour la décomposer, aideraient les ingénieurs en conception de circuits à atteindre les meilleurs résultats pour les futures versions des SerDes. Générer des patterns de gigue synthétiques de bruits blancs ou colorés permettrait de mieux analyser les effets de la gigue dans le système pendant la phase de vérification.La boucle d’asservissement de phase est un des contributeurs de la gigue d’horloge aléatoire et déterministe à l’intérieur du système. Cette thèse présente une méthode pour modéliser la boucle d’asservissement de phase avec injection du bruit de phase et estimation de la gigue temporelle. Un modèle dans le domaine temporel en incluant les effets de non-linéarité de la boucle a été créé pour estimer cette gigue. Une nouvelle méthode pour générer des patterns synthétiques de gigue avec une distribution Gaussienne à partir de profils de bruit de phase coloré a été proposée.Les standards spécifient des budgets séparés de gigue aléatoire et déterministe. Pour décomposer la gigue de la sortie de la boucle d’asservissement de phase (ou la gigue généré par la méthode présentée), une nouvelle technique pour analyser et décomposer la gigue a été proposée. Les résultats de modélisation corrèlent bien avec les mesures et cette technique aidera les ingénieurs de conception à identifier et quantifier proprement les sources de la gigue ainsi que leurs impacts dans les systèmes SerDes.Nous avons développé une méthode, pour spécifier la boucle d’asservissement de phase en termes de bruit de phase. Cette méthode est applicable à tout standard (USB, SATA, PCIe, …) et définit les profils de bruits de4phases pour les différentes parties de la boucle d’asservissement de phase, pour s’assurer que les requis des standards sont satisfaits en termes de gigue. Ces modèles nous ont également permis de générer les spécifications de la PLL, pour des standards différents.

Bit rates of high speed serial links (USB, SATA, PCI-express, etc.) have reached the multi-gigabits per second, and continue to increase. Two of the major electrical parameters used to characterize SerDes Integrated Circuit performance are the transmitted jitter at a given bit error rate (BER) and the receiver capacity to track jitter at a given BER.Modeling the phase noise of the different SerDes components, extracting the time jitter and decomposing it, would help designers to achieve desired Figure of Merit (FoM) for future SerDes versions. Generating white and colored noise synthetic jitter patterns would allow to better analyze the effect of jitter in a system for design verification.The phase locked loop (PLL) is one of the contributors of clock random and periodic jitter inside the system. This thesis presents a method for modeling the PLL with phase noise injection and estimating the time domain jitter. A time domain model including PLL loop nonlinearities is created in order to estimate jitter. A novel method for generating Gaussian distribution synthetic jitter patterns from colored noise profiles is also proposed.The Standard Organizations specify random and deterministic jitter budgets. In order to decompose the PLL output jitter (or the generated jitter from the proposed method), a new technique for jitter analysis and decomposition is proposed. Modeling simulation results correlate well with measurements and this technique will help designers to properly identify and quantify the sources of deterministic jitter and their impact on the SerDes system.We have developed a method, for specifying PLLs in terms of Phase Noise. This method works for any standard (USB, SATA, PCIe, …), and defines Phase noise profiles of the different parts of the PLL, in order to be sure that the standard requirements are satisfied in terms of Jitter.