넓은 공급 전압에서 동작하는 CAN/FlexRay 통신용 발진기 설계 = Design of oscillators for CAN/FlexRay communication operating in a wide range of supply voltage

국문 초록 (Abstract)

자동차용 통신에는 CAN(controller area network)와 FlexRay 통신 트랜시버(transceiver) 반도체 칩이 수십 개가 사용되고 있으며, 이들의 칩 내부에는 넓은 공급전압에서 동작하는 안정된 발진기가 사용되고 있다.
CAN 통신용 트랜시버(transceiver)에서 클록(clock) 생성을 위해 넓은 공급 전압에서 동작하는 500kHz CMOS RC 발진기는 설계하였다. 이 발진기는 전압 및 전류 스위치를 위한 대칭 회로, 2개의 커패시터, 2개의 비교기, 그리고 RS 플립플롭(flip-flop)으로 구성된다. 동작 원리는 쌍안정 멀티바이브레이터(bistable multivibrator)와 유사하지만, 바이어스 전류 및 기준 전압을 통해 발진 주파수를 제어할 수도 있다. Magna/SKhynix 0.18㎛ CMOS 공정에서 제작된 칩 테스트 결과 2V에서 3.5V의 공급 전압 변화에도 발진 주파수 500kHz의 변화가 4% 이내였다. 칩 면적은 265㎛×80㎛이며, 공급 전압 3.3V에서 소비전력은 5.48 mW이었다.
FlexRay 통신용 트랜시버의 내부 클록으로 사용할 넓은 공급 전압에서 동작하는 5MHz CMOS 발진기를 설계하였다. 설계한 발진기는 넓은 공급 전압에서 동작하는 기준전압 및 전류 발생 회로, 기준전원에서 전류 스위칭을 사용한 발진기, 기준전압으로 발진하는 출력을 공급 전압으로 변환하는 레벨 시프트(level shift)로 구성된다. 제안한 CMOS 발진기의 핵심(core)은 1.5V에서 5.0V의 공급 전압 범위에서 기준전압 1.36V에서 동작 되도록 설계하였다. Magna/SKhynix 0.18㎛ CMOS 공정을 이용한 시뮬레이션 결과 1.5V에서 5.0V의 공급 전압 변화에서도 발진주파수 5MHz의 변화가 3.2% 이내였다. 칩 면적은 227㎛×188㎛, 공급 전압 3.3V에서 소비전력은 1.8mW이었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In automotive communications, dozens of controller area network (CAN) and FlexRay communication transceiver semiconductor chips are used, and stable oscillators operating in a wide range of supply voltage are used in these chips.
A 500kHz CMOS RC oscillator that operates at a wide supply voltage to generate clocks in a transceiver for CAN communication was designed. The oscillator consists of a symmetrical circuit for voltage and current switches, two capacitors, two comparators, and an RS flip-flop. The principle of operation is similar to a bistable multivibrator, but it can also control the oscillation frequency through the bias current and the reference voltage. The chip test results fabricated Magna/SKhynix 0.18μm CMOS process showed that the variation ratio in oscillation frequency of 500kHz was within 4% even when the supply voltage was changed from 2V to 3.5V. The chip area was 265㎛×80㎛, and the power consumption at the supply voltage of 3.3 V was 5.48 mW.
A 5MHz CMOS oscillator that operates at a wide supply voltage for internal clocking of FlexRay communication transceiver was designed. The oscillator consists of a reference voltage and current generation circuit that operates at a wide supply voltage, an oscillator that uses current switching at the reference voltage, and a level shift that converts the output oscillating to the supply voltage from he reference voltage. The core of the proposed CMOS oscillator is designed to operate at a reference voltage of 1.36V in a supply voltage range of 1.5V to 5.0V. Simulation result using Magna / SKhynix 0.18μm CMOS process shows that the variation ratio of oscillation frequency 5MHz is within 3.2% even when the supply voltage changes from 1.5V to 5.0V. The chip area was 227㎛×188㎛, and the power consumption was 1.8 mW at a supply voltage of 3.3 V.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. CAN(controller area network) 통신 및 트랜시버 개요 2
• 3. FlexRay 통신 및 트랜시버 개요 3
• II. 회로 구성 및 동작 원리 6
• 1. 제안한 CAN용 완전 대칭된 RC 발진기의 구성과 동작원리 6
• 2. 제안한 FlexRay용 전류 스위칭 발진기의 구성과 동작원리 11
• III. 실험 결과 및 고찰 25
• 1. CAN용 RC 발진기 25
• 2. FlexRay용 전류 스위칭 발진기 31
• IV. 결론 38
• 참고문헌 39
• ABSTRACT 41