Jitter originado com o fenômeno random telegraph noise em circuitos osciladores

Abstract

À medida que a área dos transistores é reduzida para escalas sub-nanométricas, as variações de suas propriedades elétricas tornaram-se um fator significativo no desempenho de circuitos integrados. O fenômeno random telegraph noise (RTN) é uma fonte de variabilidade que afeta a corrente de dreno (ou a tensão de limiar) dos dispositivos semicondutores, caracterizando-a por flutuações estocásticas que causam jitter (desvios no tempo) em sinais de circuitos osciladores, sejam eles em malha aberta ou sistemas de controle em malha fechada. Nesse contexto, visando mensurar o comportamento do jitter originado pelo RTN de forma qualitativa, são avaliadas as performances de um oscilador controlado por tensão baseado em oscilador em anel (RO-VCO) e de um phase-locked loop (PLL). Diferentes conceitos de jitter no domínio do tempo são considerados (absolute jitter, period jitter e cycle-to-cycle jitter), com foco na influência dos tamanhos das janelas de observação nos comportamentos extraídos para os mesmos. Os resultados obtidos indicam que, apesar da redução das amplitudes do jitter, os sistemas de controle em malha fechada são limitados pela frequência de suas malhas de realimentação e, por isso, não corrigem os desvios originados por armadilhas com processos de captura e de emissão de cargas elétricas com frequências maiores que a frequência natural do sistema. Nesses casos, os PLLs operam de forma similar aos RO-VCOs, em que a tensão aplicada aos circuitos é mantida constante. As análises são úteis para a escolha e a implementação de circuitos osciladores, considerando as necessidades de suas aplicações e quais definições de jitter são relevantes para o projeto.

As transistor’s dimensions scale to sub-nanometer sizes, the variability of their electrical properties becomes a significant factor in the performance of analog and digital integrated circuits. Random telegraph noise (RTN) is a time-dependent variability that affects the drain current (or the threshold voltage) of semiconductor devices, causing stochastic fluctuations that induce jitter (timing deviations) in oscillators, including both open-loop (free-running) and closed-loop circuits. In this context, this work evaluates the jitter induced by RTN in the performance of a voltage-controlled oscillator based on a ring oscillator (RO-VCO) and a phase-locked loop (PLL). Different concepts of time-domain jitter (absolute jitter, period jitter, and cycle-to-cycle jitter) are analyzed, focusing on the influence of time window sizes on the amplitude of the jitter. The results obtained in the analyses indicate that, despite the jitter reduction observed in closed-loop systems, they are limited by their natural frequency. As a result, these circuits do not correct the deviations caused by traps defined by higher frequencies of capture and emission processes. In such cases, the PLLs operate similarly to the RO-VCOs, as the voltage applied to the circuits remains constant. These analyses are useful for selecting and implementing oscillating circuits, considering the requirements of their applications and which jitter concepts are relevant to the design.