Clock distribution circuits with intercoupled injection for flash LiDAR systems

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As demand for 3D depth sensing technology increases in applications such as autonomous driving, distributing a low skew clock across the entire pixel array of a flash LiDAR sensor is a key challenge. This thesis proposes a clock distribution circuit utilizing a 20x23 2D local oscillator array and a Phase Locked Loop (PLL). Rather than distributing the input clock signal, each pixel directly references the oscillator output for timing. A PLL, which uses a 25 MHz reference clock and generates an 800 MHz clock, controls one oscillator in the array. All oscillators in the array share the same control voltage, minimizing initial frequency error. Coupling between adjacent oscillators is implemented through transmission gates that function as switchable resistors. By gradually increasing the coupling strength, the circuit maintains stable oscillation while achieving strong coupling. Simulations were conducted assuming a voltage drop of up to 10% near the center of the oscillator array. Simulations confirmed that all oscillators achieve stable frequency and phase locking at 800 MHz. The final clock skew measured across the en-tire array was 84.5 ps (0.27 LSB). Furthermore, an analytical model is developed to predict statistical skew with 99.7% confidence under PVT variations, providing design guidelines for efficiently determining key parameters, such as the coupling strength, required to meet target performance.

국문 초록 (Abstract)

자율 주행과 같은 응용 분야에서 3D 깊이 감지 기술 수요가 증가함에 따라 플래시 라이다 센서가 픽셀 배열 전체에 낮은 스큐의 클럭을 분배하는 것이 핵심 과제이다. 본 논문은 20x23 크기의 2D 로컬 오실레이터 배열과 위상 고정 루프(PLL)를 활용한 클럭 분배 회로를 제안한다. 각 픽셀들은 입력 클럭 신호를 분배하여 사용하는 것이 아닌 오실레이터의 출력을 타이밍을 직접적으로 참조한다. 25MHz 레퍼런스 클럭을 입력으로 받아 800MHz 클럭을 생성하는 PLL이 배열 내 하나의 오실레이터를 제어한다. 배열 내 모든 오실레이터가 동일한 제어 전압을 공유함으로써 초기 주파수 오차를 최소화한다. 인접 오실레이터 간의 결합은 스위치 저항처럼 작동하는 트랜스미션 게이트를 통해 구현하였다. 커플링 강도를 점진적으로 증가시켜 회로가 안정적으로 발진을 유지하면서 강한 결합 상태에 도달한다. 시뮬레이션은 오실레이터 배열 중심으로 갈수록 최대 10%의 전압 강하가 발생하는 조건을 가정하여 수행했다. 시뮬레이션을 통해 800MHz에서 모든 오실레이터가 안정적인 위상 고정 상태에 도달하는 것을 확인하였다. 배열 전체에서 측정된 최종 클럭 스큐는 84.5 ps (0.27 LSB)로 측정하였다. 또한 PVT 변화에 따른 99.7% 신뢰도의 통계적 스큐를 예측하는 해석적 모델을 정립하여 목표 성능을 만족시키기 위해 필요한 커플링 강도와 같은 핵심 파라미터를 효율적으로 결정할 수 있는 설계 가이드라인을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Motivation and Background 1
• 1.2 Thesis Organization 2
• Chapter 2. Background 4
• 2.1 Depth-Sensing Technology 4
• 2.1.1 Time-of-Flight (ToF) 5
• 2.1.2 Time Digital Converter (TDC) 9
• 2.2 Frequency Synthesizer 12
• 2.2.1 Phase Locked Loop (PLL) 12
• 2.2.2 Voltage Controlled Oscillator (VCO) 13
• 2.2.3 Phase Frequency Detector (PFD) 14
• 2.2.4 Charge Pump 15
• 2.2.5 Loop Filter & Loop Operation 18
• Chapter 3. Clock Distribution Circuits with Inter-coupled Injection for Flash LiDAR Systems 20
• 3.1 Top Architecture of Clock Distribution Circuits 20
• 3.2 Local Oscillator 22
• 3.3 Coupling Transmission Gate 26
• 3.4 Column Regulator 31
• 3.5 Phase Locked Loop 33
• 3.6 Top Layout 35
• Chapter 4. Mathematical Analysis of the Proposed Architecture 37
• 4.1 Phase Dynamic Equation and Phase Noise Reduction of Inter-coupled Injection Oscillator Array 37
• 4.2 Static Phase Offset Calculation 44
• 4.3 Coupling Strength and Design Parameter 49
• Chapter 5. Simulation Results 51
• 5.1 MATLAB Simulation Result 51
• 5.1.1 Statistical Skew Analysis 52
• 5.1.2 Worst/Best-Case Analysis 55
• 5.1.3 Analytical Model Verification 57
• 5.1.4 Phase Noise Reduction in Coupled Oscillator Verification 59
• 5.2 Post Simulation Result 62
• 5.2.1 PLL Locking Behavior 62
• 5.2.2 Clock Synchronization 64
• 5.3 Performance Summary 66
• Chapter 6. Conclusion 68
• References 70
• Korean Abstract 74