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.

입력 위상 잡음 억제 및 체배 주파수의 듀티 사이클 보정을 위한 VCO/VCDL 혼용 기반의 다중위상 동기회로

하종찬(Jong-Chan Ha),위재경(Jae-Kyung Wee),이필수(Pil-Soo Lee),정원영(Won-Young Jung),송인채(In-Chae Song) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.47 No.11

본 논문은 입력 클록의 고주파 위상 잡음 억제와 정확한 듀티 사이클을 갖는 체배 주파수 생성을 위하여 Voltage-Controlled Oscillator(VCO)/Voltage-Controlled Delay Line(VCDL) 혼용기반의 다중 위상 Delay-Locked Loop(DLL)를 제시한다. 이 제안된 구조에서, 다중 위상 DLL은 혼용 VCO/VCDL의 입력 단에 nMOS 소스 결합 회로 기반의 이중 입력 차동 버퍼를 사용한다. 이것은 고주파 입력 위상 잡음 억제를 위하여 전 대역 통과 필터 특성을 갖는 기존 DLL의 입/출력 위상 전달을 저주파 통과 필터 특성을 갖는 PLL의 입/출력 위상 전달로 쉽게 변환시킬 수 있다. 또한, 제안된 DLL은 추가적인 보정 제어 루프 없이 단지 듀티 사이클 보정 회로와 위상 추적 루프를 이용하여 체배 주파수의 듀티 사이클 에러를 보정할 수 있다. 0.18㎛ CMOS 공정을 이용한 시뮬레이션 결과에서, 제안된 DLL의 출력 위상 잡음은 800㎒의 입력 위상 잡음을 갖는 1㎓ 입력 클록에 대하여 -13㏈ 이하로 개선된다. 또한, 40%∼60%의 듀티 사이클 에러를 갖는 1㎓ 동작 주파수에서, 체배 주파수의 듀티 사이클 에러는 2㎓ 체배 주파수에서 50±1%이하로 보정된다. This paper proposed the dual-loops multiphase DLL based mixed VCO/VCDL for a high frequency phase noise suppression of the input clock and the multiple frequencies generation with a precise duty cycle. In the proposed architecture, the dual-loops DLL uses the dual input differential buffer based nMOS source-coupled pairs at the input stage of the mixed VCO/VCDL. This can easily convert the input and output phase transfer of the conventional DLL with bypass pass filter characteristic to the input and output phase transfer of PLL with low pass filter characteristic for the high frequency input phase noise suppression. Also, the proposed DLL can correct the duty-cycle error of multiple frequencies by using only the duty-cycle correction circuits and the phase tracking loop without additional correction controlled loop. At the simulation result with 0.18㎛ CMOS technology, the output phase noise of the proposed DLL is improved under -13㏈ for 1㎓ input clock with 800㎒ input phase noise. Also, at 1㎓ operating frequency with 40%∼60% duty-cycle error, the duty-cycle error of the multiple frequencies is corrected under 50±1% at 2㎓ the input clock.

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.

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.

고효율, Temperature/voltage 변화에 둔감한 Triple-mode CMOS DC-DC Converter

임지훈(Ji-Hoon Lim),하종찬(Jong-Chan Ha),김상국(Sang-Kook Kim),위재경(Jae-Kyung Wee) 대한전자공학회 2008 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.45 No.6

본 논문에서는 temperature/voltage에 둔감한 triple-mode CMOS DC-DC Converter를 제안한다. 제안된 triple-mode DCDC converter는 단일 배터리의 수명에 따른 전압변화(3.3-5.5V)로부터 일정 또는 다양한 출력전압(0.6-2.2V)을 생성한다. 제안된 triple- mode CMOS DC-DC converter는 Pulse Width Modulator(PWM) 모드, Pulse Frequency Modulator(PFM) 모드, 그리고 Low Drop-Out(LDO) 모드, 이렇게 세 가지 모드로 동작한다. 또한, 제안된 회로는 temperature/voltage 변화에 의한 칩의 오동작을 방지하기 위해 temperature/voltage 변화에 둔감한 저 전력 1㎒ CMOS ring oscillator를 사용한다. 제안된 triple-mode DC-DC converter는 단일 입력 전원소스(3.3-5.5V)에서 출력 전압(0.6-2.2V)을 생성하며, 출력 전압 ripple은 PWM mode에서 10㎷, PFM mode에서 15㎷, 그리고 LDO mode에서는 4㎷ 이하이다. 또한, 제안된 회로의 효율은 PWM mode에서 93% 이상이며, -25-80℃의 온도변화에도 각 모드에서의 출력 전압 레벨의 오차는 단지 0.8% 이하로 유지한다. 제안된 회로의 검증을 위해 CMOS 0.35㎛ 공정을 이용한 시뮬레이션 및 칩 테스트를 수행하였다. This paper suggests the triple-mode CMOS DC-DC converter that has temperature/voltage variation compensation techniques. The proposed triple-mode CMOS DC-DC converter is used to generate constant or variable voltages of 0.6-2.2V within battery source range of 3.3-5.5V. Also, it supports triple modes, which include Pulse Width Modulator (PWM) mode, Pulse Frequency Modulator (PFM) mode and Low Drop-Out (LDO) mode. Moreover, it uses 1㎒ low-power CMOS ring oscillator that will compensate malfunction of chip in temperature/voltage variation condition. The proposed triple-mode CMOS DC-DC converter, which generates output voltages of 0.6-2.2V with an input voltage sources of 3.3-5.5V, exhibits the maximum output ripple voltage of below 10㎷ at PWM mode, 15㎷ at PFM mode and 4㎷ at LDO mode. And the proposed converter has maximum efficiency of 93% at PWM mode. Even at -25~80℃temperature variations, it has kept the output voltage level within 0.8% at PWM/PFM/LDO modes. For the verification of proposed triple-mode CMOS DC-DC converter, the simulations are carried out with 0.35㎛ CMOS technology and chip test is carried out.

0.4-2㎓, Seamless 주파수 트래킹 제어 이중 루프 디지털 PLL

손영상(Young-Sang Son),임지훈(Ji-Hoon Lim),하종찬(Jong-Chan Ha),위재경(Jae-Kyung Wee) 대한전자공학회 2008 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.45 No.12

이 논문은 seamless 주파수 트래킹 방법을 이용한 새로운 이중 루프 디지털 PLL(DPLL)을 제안한다. Coarse 루프와 fine 루프로 구성되는 이중 루프 구조는 빠른 획득 시간과 스위칭 잡음 억제를 위하여 successive approximation register기법과 TDC 회로를 사용하였다. 제안된 DPLL은 입력 주파수의 long-term 지터에 따른 지터 특성을 보상하기 위하여 Coarse와 fine의 코드 변환 주파수 트래킹 방법을 새로이 추가하였다. 또한, 제안된 DPLL은 넓은 주파수 동작 범위와 낮은 지터 특성 위하여 전류 제어 발진기와 V-I 변환기로 구성되는 전압제어 발진기를 채택하였다. 제안된 DPLL은 동부 하이텍 0.18-㎛ CMOS 공정으로 구현하였으며 1.8V의 공급전압에서 0.4-2㎓의 넓은 동작 주파수 범위와 0.18㎟의 적은 면적을 가진다. H-SPICE 시뮬레이션을 통하여, DPLL은 2㎓의 동작 주파수에서 18㎽ 파워소비와 전원잡음이 없는 경우 3psec이하의 p-p period 지터를 확인하였다. This paper proposes a new dual-loop digital PLL(DPLL) using seamless frequency tracking methods. The dual-loop construction, which is composed of the coarse and fine loop for fast locking time and a switching noise suppression, is used successive approximation register technique and TDC. The proposed DPLL in order to compensate the quality of jitter which follows long-term of input frequency is newly added cord conversion frequency tracking method. Also, this DPLL has VCO circuitry consisting of digitally controlled V-I converter and current-control oscillator (CCO) for robust jitter characteristics and wide lock range. The chip is fabricated with Dongbu HiTek 0.18-㎛ CMOS technology. Its operation range has the wide operation range of 0.4-2㎓ and the area of 0.18㎟. It shows the peak-to-peak period jitter of 2 psec under no power noise and the power dissipation of 18㎽ at 2㎓ through HSPICE simulation.