통계적 주파수 검출기 기반 기준 주파수를 사용하지 않는 클록 및 데이터 복원 회로의 설계 방법론

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2022. 8. 정덕균.In this thesis, a design of a high-speed, power-efficient, wide-range clock and data recovery (CDR) without a reference clock is proposed. A frequency acquisition scheme using a stochastic frequency detector (SFD) based on the Alexander phase detector (PD) is utilized for the referenceless operation. Pat-tern histogram analysis is presented to analyze the frequency acquisition behavior of the SFD and verified by simulation. Based on the information obtained by pattern histogram analysis, SFD using autocovariance is proposed. With a direct-proportional path and a digital integral path, the proposed referenceless CDR achieves frequency lock at all measurable conditions, and the measured frequency acquisition time is within 7μs. The prototype chip has been fabricated in a 40-nm CMOS process and occupies an active area of 0.032 mm2. The proposed referenceless CDR achieves the BER of less than 10-12 at 32 Gb/s and exhibits an energy efficiency of 1.15 pJ/b at 32 Gb/s with a 1.0 V supply.본 논문은 기준 클럭이 없는 고속, 저전력, 광대역으로 동작하는 클럭 및 데이터 복원회로의 설계를 제안한다. 기준 클럭이 없는 동작을 위해서 알렉산더 위상 검출기에 기반한 통계적 주파수 검출기를 사용하는 주파수 획득 방식이 사용된다. 통계적 주파수 검출기의 주파수 추적 양상을 분석하기 위해 패턴 히스토그램 분석 방법론을 제시하였고 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 패턴 히스토그램 분석을 통해 얻은 정보를 바탕으로 자기공분산을 이용한 통계적 주파수 검출기를 제안한다. 직접 비례 경로와 디지털 적분 경로를 통해 제안된 기준 클럭이 없는 클럭 및 데이터 복원회로는 모든 측정 가능한 조건에서 주파수 잠금을 달성하는 데 성공하였고, 모든 경우에서 측정된 주파수 추적 시간은 7μs 이내이다. 40-nm CMOS 공정을 이용하여 만들어진 칩은 0.032 mm2의 면적을 차지한다. 제안하는 클럭 및 데이터 복원회로는 32 Gb/s의 속도에서 비트에러율 10-12 이하로 동작하였고, 에너지 효율은 32Gb/s의 속도에서 1.0V 공급전압을 사용하여 1.15 pJ/b을 달성하였다.CHAPTER 1 INTRODUCTION 1 1.1 MOTIVATION 1 1.2 THESIS ORGANIZATION 13 CHAPTER 2 BACKGROUNDS 14 2.1 CLOCKING ARCHITECTURES IN SERIAL LINK INTERFACE 14 2.2 GENERAL CONSIDERATIONS FOR CLOCK AND DATA RECOVERY 24 2.2.1 OVERVIEW 24 2.2.2 JITTER 26 2.2.3 CDR JITTER CHARACTERISTICS 33 2.3 CDR ARCHITECTURES 39 2.3.1 PLL-BASED CDR – WITH EXTERNAL REFERENCE CLOCK 39 2.3.2 DLL/PI-BASED CDR 44 2.3.3 PLL-BASED CDR – WITHOUT EXTERNAL REFERENCE CLOCK 47 2.4 FREQUENCY ACQUISITION SCHEME 50 2.4.1 TYPICAL FREQUENCY DETECTORS 50 2.4.1.1 DIGITAL QUADRICORRELATOR FREQUENCY DETECTOR 50 2.4.1.2 ROTATIONAL FREQUENCY DETECTOR 54 2.4.2 PRIOR WORKS 56 CHAPTER 3 DESIGN OF THE REFERENCELESS CDR USING SFD 58 3.1 OVERVIEW 58 3.2 PROPOSED FREQUENCY DETECTOR 62 3.2.1 MOTIVATION 62 3.2.2 PATTERN HISTOGRAM ANALYSIS 68 3.2.3 INTRODUCTION OF AUTOCOVARIANCE TO STOCHASTIC FREQUENCY DETECTOR 75 3.3 CIRCUIT IMPLEMENTATION 83 3.3.1 IMPLEMENTATION OF THE PROPOSED REFERENCELESS CDR 83 3.3.2 CONTINUOUS-TIME LINEAR EQUALIZER (CTLE) 85 3.3.3 DIGITALLY-CONTROLLED OSCILLATOR (DCO) 87 3.4 MEASUREMENT RESULTS 89 CHAPTER 4 CONCLUSION 99 APPENDIX A DETAILED FREQUENCY ACQUISITION WAVEFORMS OF THE PROPOSED SFD 100 BIBLIOGRAPHY 108 초 록 122박