Underlayer Geometry Effects on Interconnect Line Characteristics and Signal Integrity

위재경,김용주,Wee, Jae-Kyung,Kim, Yong-Ju The Institute of Electronics and Information Engin 2002 電子工學會論文誌-CI (Computer and Information) Vol.39 No.9

실리콘 기판가 교차하는 금속 선의 밑층 기하구조를 고려한 연결선로의 특성이 정교하게 고안된 패턴을 가지고 실험적으로 분석되었다. 이 작업에서, 여러 종류의 밑층 기하구조에 따른 전송선로을 위한 테스트 패턴들을 고안하였고, 신호 특성과 반응은 S-parameter 와 TDR을 통해 측정되었다. 사용된 패턴은 두 개의 알루미늄 선과 한 개의 텅스텐 선을 가지는 deep-submicron CMOS DRAM 기술을 가지고 설계되고 제작되었다. 패턴위에서 측정되 결과 분석으로부터, 라인 파라메터들 (특히 라인 커패시턴스와 저항) 과 그것들에 의한 신호 왜곡에 대한 밑층 구조에 의한 효과는 무시 할수 없음을 발견하였다. 그러한 결과는 고속 클럭과 데이터 라인 같은 글로벌 신호 선이나 패키지 리드의 스큐 발렌스의 심도있고 유용한 이해에 도움이 된다. Characteristics of interconnect lines considering underlayer geometries of a silicon substrate and crossing metal lines are experimentally analyzed through elaborately devised patterns. In this work, test patterns for transmission lines having several kinds of underlayer geometries were devised, and the signal characteristics and responses are measured by S-parameter and time domain reflection meter (TDR). The patterns were designed and fabricated with a deep-submicron CMOS DRAM technology having 1 Tungsten and 2 Aluminum metals. From the analysis of measured results on the patterns, it is founded that the effects of underlayter line structures on line parameters (especially line capacitance and resistance) and signal distortions occurred from them cannot be negligible. The results provide useful and insightful understanding in the skew balance of package leads and global signal lines such as high-speed clock and data lines.

TIE 제한 주파수 변조 기법을 이용한 낮은 EMI 분산 스펙트럼 클록 발생기

박태명,위재경,이성수,Piao, Taiming,Wee, Jae-Kyung,Lee, Seongsoo 한국전기전자학회 2013 전기전자학회논문지 Vol.17 No.4

본 논문에서는 불연속 주파수 변조 기법을 사용하는 낮은 EMI 분산 스펙트럼 클록 발생기 (SSCG)를 제안한다. 제안된 SSCG는 높은 변조폭을 갖는 삼각 주파수 변조 기법을 사용한다. SSCG의 최대 시간 구간 오차 (MTIE)가 제한 기준을 넘어서면 SSCG의 출력 주파수가 분주기를 거쳐 시간 구간 오차 (TIE)의 값을 감소시킨다. 이러한 불연속 주파수 변조 기법은 주어진 MTIE 제한 기준 내에서 전자기 방사를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이 방법은 일반적인 SSCG보다 전자기 방사를 18.5dB 더 개선하였다. This paper proposed a low EMI spread spectrum clock generator (SSCG) using discontinuous frequency modulation technique. The proposed SSCG is designed for triangular frequency modulation with high modulation depth. When the maximum time interval error (MTIE) of the SSCG is higher than given limit, the output frequency of SSCG is divided by two and used for reducing the time interval error (TIE). This discontinuous frequency modulation technique can effectively reduce the EMI within given limit. The simulated EMI of proposed SSCG was reduced by 18.5dB than that of conventional methods.

고성능 시스템을 위한 클록 분배 방식 및 Coplanar 및 Microstrip 전송라인의 구조적 분석

박정근,문규,위재경,Park, Jung-Keun,Moon, Gyu,Wee, Jae-Kyung 대한전자공학회 2004 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.41 No.4

고속 저전력 디지털 시스템을 위해 클록 스큐를 최소화하고 동적 파워 소모를 줄이는 새로운 클록 분배 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 접힌 라인구조(FCL)과 위상 섞임 회로(phase blending circuit)을 이용하여 Zero-skew 특성을 갖는다. FCL에 적합한 라인 구조를 분석하기 위해, 마이크로 스트립과 코플라너 라인을 FCL형 클록 라인으로 분배되었다. 시뮬레이션 결과는 l0㎜ 떨어져 있는 두 리시버 사이의 최대 클록 스큐가 1㎓에서 10psec보다 적고 20㎜ 떨어져 있는 두 리시버 사이의 최대 클록 스큐는 1㎓에서 60 psec보다 작음을 보였다. 또한, 공정, 전압, 온도 변화에 무관하게 클록 신호들의 스큐가 변하지 않음을 알 수 있었다. A novol clock distribution scheme is proposed for high-speed and low-power digital system to minimize clock skew and reduce dynamic power consumption. This scheme has ideal zero-skew characteristic by using folded clock lines (FCL) and phase blending circuit. For analyzing suitable line structures to FCLs, microstrip line and coplanar line are placed with folded clock lines. Simulation results show that the maximum clock-skew between two receivers located 10mm apart is less than lops at 1㎓ and the maximum clock-skew between two receivers located 20mm apart is less than 60ps at 1㎓. Also the results show that the minimum skews of clock signals regardless of process, voltage, and temperature variation are invariant.

DLL 보드 상에 코어 및 I/O 잡음에 의한 칩의 성능 분석

조성곤,하종찬,위재경,Cho, Sung-Gon,Ha, Jong-Chan,Wee, Jae-Kyung 한국마이크로전자및패키징학회 2006 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.13 No.4

이 논문은 코어와 I/O 회로가 포함된 PEEC(Partial Equivalent Electrical Circuit) PDN(Power Distribution Networks)의 임피던스 변화에 따른 칩의 성능 분석을 나타내었다. I/O 전원에 연결된 코어 전원 잡음이 I/O 스위칭에 어떠한 영향이 미치는지 시뮬레이션 결과를 통하여 보였다. 또한 직접 설계한 $7{\times}5$인치 DLL(Delay Locked Loop)시험 보드를 사용하여 칩의 동작 지점에 따른 전원 잡음의 효과를 분석하였다. $50{\sim}400MHz$에 주파수 대역에 따른 DLL의 지터를 측정하고 시뮬레이션 결과로 얻어진 임피던스 값과 비교하였다. PDN의 공진 피크가 100MHz 주파수에서 1옴보다 큰 임피던스를 갖기 때문에 DLL의 지터는 주파수가 100MHz 근처에서 증가함을 보여준다. 타겟 임피던스를 줄이기 위한 방법인 디커플링 커패시터에 따른 칩과 보드의 임피던스 변화를 보였다. 따라서 전원 공급망 설계는 디커플링 커패시터와 함께 코어 스위칭 전류와 I/O 스위칭 전류를 같이 고려해야 한다. This paper shows the impedance profile of PEEC(Partial Equivalent Electrical Circuit) PDN(Power Distribution Networks) including core and I/O circuit. Through the simulated results, we find that the core power noise having connection with I/O power is affected by I/O switching. Also, using designed $74{\times}5inch$ DLL(Delay Locked Loop) test board, we analyzed the effect of power noise on operation region of chip. Jitter of a DLL measure for frequency of $50{\sim}400MHz$ and compared with impedance obtained result of simulation. Jitter of a DLL are increased near about frequency of 100MHz. It is reason that the resonant peak of PDNs has an impedance of more the 1ohm on 100MHz. we present the impedance profile of a chip and board for the decoupling capacitor reduced the target impedance. Therefore, power supply network design should be considered not only decoupling capacitors but also core switching current and I/O switching current.

저 전력 시스템을 위한 파워다운 구조를 가지는 이중 전하 펌프 PLL 기반 클록 발생기

하종찬,황태진,위재경,Ha, Jong-Chan,Hwang, Tae-Jin,Wee, Jae-Kyung 대한전자공학회 2005 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.42 No.11

이 논문에서는 다중 동작 주파수를 갖는 고성능 저전력 SoC에 사용 가능한 광대역 입출력 주파수를 지원하는 프로그램머블 PLL 기반의 클록킹 회로을 제안하였다. 제안된 클록 시스템은 이중 전하펌프를 이용 locking 시간을 감소시켰고, 광대역 주파영역에서 동작이 가능하도록 하였다. 칩의 저 전력 동작을 위해 동작 대기모드 시에 불필요한 PLL 회로를 지속적으로 동작시키지 않고 relocking 정보를 DAC를 통해 보존하고 불필요한 동작을 억제하였고, 대기모드에서 빠져나온 후 tracking ADC(Analog to Digital Converter)를 이용하여 빠른 relocking이 가능하도록 설계하였다. 또한 프로그램머블하게 출력 주파수를 선택하게 하는 구조를 선택하여 저 전력으로 최적화된 동작 주파수를 지원하기 위한 DFS(Dynamic frequency scaling) 동작이 가능하도록 클록 시스템을 설계하였다. 제안된 PLL 기반의 클록 시스템은 $0.35{\mu}m$ CMOS 공정으로 구현하였으며 2.3V의 공급전압에서 $0.85{\mu}sec\~1.3{\mu}sec$($24\~26$사이클)의 relocking 시간을 가지며, 파워다운 모드 적용 시 PLL의 파워소모는 라킹 모드에 비해 $95\%$이상 절감된다. 또한 제안된 PLL은 프로그래머블 주파수 분주기를 이용하여 다중 IP 시스템에서의 다양한 클록 도메인을 위해 $81MHz\~556MHz$의 넓은 동작 주파수를 갖는다. This paper proposes a programmable PLL (phase locked loop) based clock generator supporting a wide-range-frequency input and output for high performance and low power SoC with multiple clock frequencies domains. The propose system reduces the locking time and obtains a wide range operation frequency by using a dual-charge pumps scheme. For low power operation of a chip, the locking processing circuits of the proposed PLL doesn't be working in the standby mode but the locking data are retained by the DAC. Also, a tracking ADC is designed for the fast relocking operation after stand-by mode exit. The programmable output frequency selection's circuit are designed for supporting a optimized DFS operation according to job tasks. The proposed PLL-based clock system has a relock time range of $0.85{\mu}sec{\sim}1.3{\mu}sec$($24\~26$cycle) with 2.3V power supply, which is fabricated on $0.35{\mu}m$ CMOS Process. At power-down mode, PLL power saves more than $95\%$ of locking mode. Also, the PLL using programmable divider has a wide locking range ($81MHz\~556MHz$) for various clock domains on a multiple IPs system.

Dynamic-Voltage/Frequency-Scaling 알고리즘에서의 다중 인가 전압 조절 시스템 용 High-speed CMOS Level-Up/Down Shifter

임지훈,하종찬,위재경,문규,Lim Ji-Hoon,Ha Jong-Chan,Wee Jae-Kyung,Moon Gyu 대한전자공학회 2006 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.43 No.6

SoC(System-On-Chip) 시스템에서 초 저전력 시스템을 구현하기 위한 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)알고리즘에 사용될 시스템 버스의 다중 코어 전압 레벨을 생성해주는 새로운 다계층(multi-level) 코어 전압용 high-speed level up/down Shifter 회로를 제안한다. 이 회로는 내부 회로군과 외부 회로군 사이에서 서로 다른 전압레벨을 조정 접속하는 I/O용 level up/down shifter interface 회로로도 동시에 사용된다. 제안하는 회로는 인터페이스 접속에서 불가피하게 발생하는 속도감쇄와 Duty Ratio 불안정 문제를 최소화하는 장점을 갖고 있다. 본 회로는 500MHz의 입력 주파수에서 $0.6V\sim1.6V$의 다중 코어 전압을 각 IP들에서 사용되는 전압레벨로, 또는 그 반대의 동작으로 서로 Up/Down 하도록 설계하였다 그리고 제안하는 I/O 용 회로의 level up shifter는 500MHz의 입력 주파수에서 내부 코어 용 level up shifter의 출력전압인 1.6V를 I/O 전압인 1.8V, 2.5V, 3.3V로 전압레벨을 상승 하도록 설계하였으며, level down shifter는 반대의 동작으로 1Ghz의 입력 주파수에서 동작하도록 설계하였다. 시뮬레이션 및 결과는 $0.35{\mu}m$ CMOS Process, $0.13{\mu}m$ IBM CMOS Process 와 65nm CMOS model 변수를 이용한 Hspice를 통하여 검증하였다. 또한, 제안하는 회로의 지연시간 및 파워소모 분석과 동작 주파수에 비례한 출력 전압의 Duty ratio 왜곡에 대한 연구도 하였다. We proposed a new High-speed CMOS Level Up/Down Shifter circuits that can be used with Dynamic Voltage and Frequency Scaling(DVFS) algorithm, for low power system in the SoC(System-on-Chip). This circuit used to interface between the other voltage levels in each CMOS circuit boundary, or between multiple core voltage levels in a system bus. Proposed circuit have advantage that decrease speed attenuation and duty ratio distortion problems for interface. The level up/down shifter of the proposed circuit designed that operated from multi core voltages$(0.6\sim1.6V)$ to used voltage level for each IP at the 500MHz input frequency The proposed circuit supports level up shifting from the input voltage levels, that are standard I/O voltages 1.8V, 2.5V, 3.3V, to multiple core voltage levels in between of $0.6V\sim1.6V$, that are used internally in the system. And level down shifter reverse operated at 1Ghz input frequency for same condition. Simulations results are shown to verify the proposed function by Hspice simulation, with $0.6V\sim1.6V$ CMOS Process, $0.13{\mu}m$ IBM CMOS Process and $0.65{\mu}m$ CMOS model parameters. Moreover, it is researched delay time, power dissipation and duty ration distortion of the output voltage witch is proportional to the operating frequency for the proposed circuit.

파워 분배망을 고려한 디지털 회로 시스템의 설계와 분석

이상민,문규,위재경,Lee, Sang-Min,Moon, Gyu,Wee, Jae-Kyung 대한전자공학회 2004 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.41 No.4

This paper presents the channel analysis considering power distribution network(PDN) system of PCB. For achieve the target PDN system we proposed the useful design approach for acquiring the characteristic target of power distribution network in overall frequency ranges. The proposed method is based on the hierarchical approach related to frequency ranges and the path-based equivalent circuit model to consider the interference of the current paths between the decoupling capacitors and the board through it is a lumped model for fast and easy calculation, experimental results show that the proposed model is almost as precise as the numerical analysis. The analysis of PDN system shows that although the effective inductance of package dominatly affects the power noise and the signal transfer through data channel, the board PDNs also can not be neglected for achieving the accurate channel signaling. Therefore, we must design concurrently the chip, package, and board from the initial spec design of high speed digital system. 이 논문은 PCB의 PDN(Power Distribution Network) 시스템을 고려한 채널 분석을 나타내었다. 설계자가 원하는 PDN 시스템을 설계하기 위하여, 전체 주파수 범위의 PDN이 요구하는 임피던스를 얻는 유용한 설계방법을 제안하였다. 제안된 방법은 주파수 영역과 관계된 계층적 배치 접관방식과 보트와 decoupling 커패시터 사이의 current 흐름의 간섭을 고려한 path-based equivalent 회로를 기본으로 하였다. 비록 빠르고 쉬운 계산을 위한 lumped model일지라도, 실험 결과는 제안된 모델이 numerical 분석처럼 거의 정확함을 보였다. PDN 시스텐의 분석은 패키지 인덕턴스가 파워 노이즈, 데이터 채널을 통한 신호 이동에 영향을 받는다는 것을 보여주고 있으나, 보드 PDN 또한 정확한 채널 신호를 위해 무시할 수 없다는 것을 보여준다. 따라서 설계자는 반드시 초고속 디지털 시스템의 첫 스팩 설계로부터 보드, 패키지, 칩 등을 동시에 디자인을 해야 한다.

NFS 표준을 위한 개선된 프로브를 이용한 칩 수준 NFP 측정값 교정 및 검증

이필수(Pil-soo Lee),위재경(Jae-Kyung Wee),김부균(Boo-Gyoun Kim),최재훈(Jai-Hoon Choi),여순일(Soon-il Yeo) 대한전자공학회 2012 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.49 No.6

본 논문에서는 near-field scanning (NFS) 시스템을 위한 새로운 보정 방법을 제시하였다. 제안된 교정 방법은 새로운 near-field probe (NFP)와 circular patch patterns (CPPs) and meander patterns (MPs) 같은 새로 고안된 패턴으로 구성되어 있다. 제안된 패턴들은 IEC61967-2과 6에 언급된 기존의 방법과 비교해 공간 해상도을 개선하고 NFP의 교정 절차를 단순화하기 위해 사용하였다. 또한 감쇄 특성에 대한 NFP의 길이 효과를 8mm와 30mm의 길이를 가지고 조사하였다. 이러한 특성을 위해 지름 (D)가 20, 40, 60, 그리고 100mm의 CPP를 만들었고 여러 가지 폭과 간격을 가지는 MP를 설계하고 제작하였다. 단순화된 교정 절차를 이용하여 공간 해상도와 측정 높이 사이의 역 관계를 발견하였다. 테스팅 결과는 측정 높이 200 μm에서 120 μm의 공간해상도를 복잡한 수정 알고리듬 없이 8GHz 아래에서 얻을 수 있음을 보였다. 제작 단가를 위해 모든 패턴과 NFP는 일반적인 고가의 LTCC 대신 저가의 PCB (FR-4)을 이용해 실현하였다. 이결과를 칩 수주 EMC 사용 가능성을 검증하기 Sub-micron scale 동작이 가능한 NFSS을 제작하였고, 제안된 NFP를 이용하여 사용 칩의 측정결과 200㎛ 패턴의 형태를 정확하게 묘사가 가능한 수준의 해상도를 확보하여 칩 수준 EMC 검증에 사용 할 수 있음을 증명하였다. New calibration method for the near-field scanning (NFS) system is presented. The proposed calibration method consisted of a new near-field antenna (NFP) and newly devised patterns as circular patch patterns (CPPs) and meander patterns (MPs). The proposed patterns were used for improving spatial resolutions and simplifying a calibration procedure of the NFP compared to the conventional method defined in the IEC61967-3 and 6. Also, the effect of the length of NFPs on attenuation characteristics was investigated with length of 8mm and 30mm. For them, we designed and fabricated CPPs of diameter (D) = 20, 40, 60, and 100mm and MPs of various widths and spaces. We found the reverse relations between spatial resolutions and heights of measuring points by using simplified calibration procedure. The testing result shows that the spatial resolution of 120 μm at height of 200 μm was verified without complex correlation algorithms under 8GHz. For manufacturing cost all patterns and the NFP were realized with low-cost fabrication using PCB (FR-4) not by a conventional LTCC process. For verification of chip-level EMC from the results, near-field scanning system (NFSS) having step resolution of Sub-micron scale was produced and by using the proposed NFSS and proposed NFP measurement of chip shows accurately the shape of the resolution of 200 ㎛ patterns for securing a high level of chip-level EMC verification.

패키지후 프로그램을 이용 스큐 수정이 가능한 광범위한 잠금 범위를 가지고 있는 이중 연산 DLL 회로

최성일,문규,위재경,Choi, Sung-Il,Moon, Gyu,Wee, Jae-Kyung 대한전자공학회 2003 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.40 No.6

이 논문에서는 1) 넓은 잠금 범위를 위한 이중 루프 동작과 2) 차세대 패키지 스큐 개선에 대한 전압 발생기와 안티퓨즈 회로를 사용한 프로그래머블 레프리카 딜레이, 두 가지 이점을 갖는 Delay Lock Loop(DLL)을 기술하였다. 이중 루프 동작은 차동 내부 루프 중 하나를 선택하기 위해 외부 클럭과 내부 클럭 사이의 초기 시간차에 대한 정보를 사용한다. 이를 이용하여 더 낮은 주파수로 DLL의 잠금 범위를 증가시킨다. 덧붙여서, 전압발생기와 안티퓨즈 회로를 사용한 프로그래머블 레프리카 딜레이의 결합은 패키지 공정 후에 온-오프 칩 변화로부터 발생하는 외부 클럭과 내부 클럭 사이에 스큐 제거를 해준다. 제안된 DLL은 0.16um 공정으로 제조되었고, 2.3v의 전원 공급과 42㎒ - 400㎒의 넓은 범위에서 동작한다. 측정된 결과는 43psec p-p 지터와 400㎒에서 52㎽를 소비하는 4.71psec 실효치(rms)지터를 보여준다. This paper describes a Delay Locked Loop (DLL) circuit having two advancements : 1) a dual loop operation for a wide lock-range and 2) programmable replica delays using antifuse circuitry and internal voltage generator for a post-package skew calibration. The dual loop operation uses information from the initial time-difference between reference clock and internal clock to select one of the differential internal loops. This increases the lock-range of the DLL to the lower frequency. In addition, incorporation with the programmable replica delay using antifuse circuitry and internal voltage generator allows for the elimination of skews between external clock and internal clock that occur from on and off-chip variations after the package process. The proposed DLL, fabricated on 0.16m process, operates over the wide range of 42MHz - 400MHz with 2.3v power supply. The measured results show 43psec peak-to-peak jitter and 4.71psec ms jitter consuming 52㎽ at 400MHz.

디지털 컨트롤러 공유 및 Pseudo Relaxation Oscillating 기법을 이용한 원-칩 다중출력 SMPS

박영균,임지훈,위재경,이용근,송인채,Park, Young-Kyun,Lim, Ji-Hoon,Wee, Jae-Kyung,Lee, Yong-Keun,Song, Inchae 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.9

본 논문에서는 디지털 제어부를 공유하며, 회로 동작시간의 분배 방식을 통해 다중 출력을 지원하는 SMPS를 제안한다. 제안된 회로는 Pseudo Relaxation Oscillating 기법의 DPWM 발생기를 사용한다. 제안된 SMPS는 회로의 동작시간 분배 방식을 사용하여 기존의 DPWM 발생기에서 문제가 되는 큰 면적의 디지털 로직 컨트롤러를 공유하는 형태이기 때문에 칩 면적과 효율 측면에서 큰 이점을 가지지만, 각 DPWM 발생기의 실시간 제어가 어려우며 불안정한 출력 전압을 공급할 수 있다는 단점을 가진다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 동작시간 분배 방식으로 인해 동작클록이 인가되지 않은 DPWM 발생기들의 출력전압을 실시간으로 피드백 받아 안정된 출력 전압을 공급할 수 있는 실시간 전류 보정 기법을 제안한다. 제안된 SMPS를 100MHz의 내부 제어 동작 주파수와 10MHz 스위칭 주파수로 동작시킬 시, 소모되는 내부 코어 회로의 최대 전류는 4.9mA이며, 출력 버퍼를 포함한 전체 시스템의 전력 소모는 30mA이다. 또한 800mA, 100KHz의 load current regulation 조건으로 시뮬레이션 시, 3.3V 출력전압에 대한 최대 리플 전압은 11mV, Over/Undershoot voltage는 각각 10mV, 19.6mV 이다. 코어 회로의 크기는 $700{\mu}m{\times}800{\mu}m$의 작은 면적으로 구현가능하다. 제안된 회로는 Dong-bu Hitek BCD $0.35{\mu}m$ 공정을 이용한 시뮬레이션을 통해 검증되었다. This paper suggests a multi-level and multi-output SMPS based on a shared digital logic controller through independently operating in each dedicated time periods. Although the shared architecture can be devised with small area and high efficiency, it has critical drawbacks that real-time control of each DPWM generators are impossible and its output voltage can be unstable. To solve these problems, a real-time current compensation scheme is proposed as a solution. A current consumption of the core block and entire block with four driver buffers was simulated about 4.9mA and 30mA at 10MHz switching frequency and 100MHz core operating frequency. Output voltage ripple was 11 mV at 3.3V output voltage. Over/undershoot voltage was 10mV/19.6mV at 3.3V output voltage. The noise performance was simulated at 800mA and 100KHz load regulation. Core circuit can be implemented small size in $700{\mu}m{\times}800{\mu}m$ area. For the verification of proposed circuit, the simulations were carried out with Dong-bu Hitek BCD $0.35{\mu}m$ technology.