KR100293256B1 - A fast lock on time mixed mode delay locked loop with low jitter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 빠른 클럭 동기 시간과 작은 지터(jitter) 특성을 갖는 클럭 동기 회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 DLL(Delay Locked Loop), PLL(Phase Locked Loop)의 아날로그 회로와 DL(Delay Line)의 디지털 회로의 장점을 모두 가지도록 아날로그 VCDL(Voltage Controlled Delay Line)과 디지털 FDL(Fixed Delay Line)로 구성된 혼합 모드 클럭 동기 회로(Mixed Mode DLL)에 관한 것으로서, 외부 클럭과 내부 클럭을 동기시키기 위하여 초기에 내부 클럭과 외부 클럭 사이의 큰 위상차를 FDL에 의하여 2클럭 사이클 만에 작게 하여 클럭을 일단 동기시키고, 이후 남아 있는 위상차에 대해서는 아날로그 VCDL의 지연 시간을 미세하게 변화시켜 클럭을 빠른 시간 안에 완벽하게 동기시킬 수 있도록 구성하여, 기존의 방식에 비해 빠른 클럭 동기 시간과 더욱 개선된 저 지터 특성을 가지므로 저전력이면서 고속의 클럭 인터페이스를 필요로 하는 곳에 채용될 수 있어 고속 데이터 전송이 요구되는 칩에 유용하게 사용될 수 있는 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a clock synchronizing circuit having fast clock synchronizing time and small jitter. More specifically, the present invention relates to analog circuits of conventional delay locked loop (DLL), phase locked loop (PLL), and delay line (DL). It is a mixed mode DLL (Mixed Mode DLL) consisting of analog voltage controlled delay line (VCDL) and digital fixed delay line (FDL) to have all the advantages of digital circuit. To do this, the large phase difference between the internal clock and the external clock is initially reduced by only two clock cycles by the FDL, and the clock is synchronized once, and for the remaining phase difference, the delay time of the analog VCDL is changed slightly so that the clock can be changed quickly. Configured to be fully synchronized, it has faster clock sync times and more improved jitter than traditional methods. Power, yet can be employed in place that requires a high-speed clock of the interface that can be useful for chips that require high-speed data transmission.
Description
본 발명은 클럭(clock) 동기 회로에 관한 것으로서, 특히 빠른 클럭 동기 시간과 더욱 개선된 작은 지터(jitter) 특성을 갖도록 하여 저전력 및 고속 데이터 전송이 요구되는 칩(chip)에 사용될 수 있도록 한 빠른 클럭 동기 시간과 작은 지터 특성을 갖는 혼합 모드 클럭 동기 회로(Mixed Mode Delay Locked Loop)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a clock synchronization circuit, and in particular, has a fast clock synchronization time and a further improved small jitter characteristic so that a fast clock can be used for a chip requiring low power and high speed data transmission. A mixed mode delay locked loop has a synchronization time and a small jitter characteristic.
일반적으로, 인쇄 회로 기판(PCB)에 시스템이 구현될 때는 전체적인 시스템의 성능을 향상시키기 위해서 설계자들은 보통 클럭 신호를 각 칩들에 공통으로 인가하여 동기식(synchronous) 시스템을 구현한다. 이때, 클럭 신호에 동기되어 모든 데이터의 전송과 수신이 이루어지므로 시스템의 속도를 높이기 위해서는 데이터를 안정되게 송수신하면서도 빠르게 클럭을 운용하여야 한다.In general, when a system is implemented on a printed circuit board (PCB), in order to improve the performance of the overall system, designers usually implement a synchronous system by applying a clock signal to each chip in common. At this time, since all data is transmitted and received in synchronization with the clock signal, the clock must be operated quickly while transmitting and receiving data stably in order to increase the speed of the system.
그러나, 지금까지 클럭은 크리스탈 발진기(crystal oscillator)로부터 모든 칩에 공통적으로 인가되어 왔기 때문에 데이터의 전송 시간과 각종 스큐(skew)가 클럭의 고속화를 어렵게 하였다.However, until now, the clock has been commonly applied to all chips from a crystal oscillator, and data transmission time and various skews make it difficult to speed up the clock.
클럭 동기 시스템에서 외부 클럭이 집적 회로로 들어오게 되면 클럭 버퍼와 클럭 드라이버를 거쳐서 내부에서 사용될 내부 클럭으로 발생되게 된다. 이때 내부 클럭은 버퍼와 드라이버의 지연 시간으로 인해 내부 레지스터를 클럭킹하는 시간이 외부 클럭과 일치하지 않게 된다. 이러한 불필요한 클럭 스큐로 인하여 전체 시스템 클럭을 고속화하는 것이 어렵게 되어 최근 고속 인터페이스를 갖는 집적 회로에선 외부 클럭과 내부 클럭을 동기시키는 회로를 추가하고 있다.In a clock synchronization system, when an external clock enters an integrated circuit, it is generated as an internal clock to be used internally through a clock buffer and a clock driver. In this case, due to the delay between the buffer and the driver, the internal clock does not coincide with the external clock. Due to such unnecessary clock skew, it is difficult to speed up the entire system clock. Recently, an integrated circuit having a high speed interface has added a circuit for synchronizing an external clock with an internal clock.
따라서, 고속의 클럭을 사용하기 위해 최근에는 칩 내부에 외부 클럭과 내부 클럭을 동기시키는 회로를 집적하여 칩 내부의 스큐를 없애거나 또는 이러한 클럭 동기 회로를 사용하여 클럭과 데이터를 동시에 전송함으로써 클럭과 데이터 사이의 스큐까지도 제거하여 고속으로 데이터를 전송하고 있다.Therefore, in order to use a high speed clock, recently, a circuit for synchronizing an external clock and an internal clock is integrated in a chip to eliminate skew in the chip, or by simultaneously transmitting clock and data using a clock synchronization circuit. Data is transmitted at high speed by eliminating skew between data.
이러한 클럭 동기 회로로는 위상 동기 루프(PLL : Phase Locked Loop), 지연 동기 루프(DLL : Delay Locked Loop), 그리고 지연선(Delay Line) 방식 등의 여러가지가 있으며, 크게 디지털 방식과 아날로그 방식으로 구분할 수 있다.Such clock synchronization circuits include a phase locked loop (PLL), a delay locked loop (DLL), and a delay line (Delay Line) method, which can be classified into digital and analog methods. Can be.
아날로그 방식은 폐 루프(closed loop) 클럭 동기 회로로 콘트롤에 의해 지연 셀의 지연 시간을 가변시켜 클럭이 동기되도록 하는 방식으로서, PLL이나 DLL 등을 들 수 있으며, 디지털 방식은 개방 루프(open loop) 클럭 동기 회로로 지연 시간이 고정된 단위 지연 셀을 이용한 회로로서, 지연선 등을 들 수 있다.The analog method is a closed loop clock synchronous circuit that allows the clock to be synchronized by varying the delay time of the delay cells by control. Examples of the analog method include a PLL and a DLL, and the digital method is an open loop. A delay line etc. are mentioned as a circuit using the unit delay cell which fixed the delay time as a clock synchronization circuit.
한편, DLL 등의 아날로그 방식은 클럭을 동기시키는 시간이 길지만 아날로그 방식을 이용하여 구현되기 때문에 지터 특성이 좋아 최근 아주 고속의 인터페이스 응용에 많이 사용된다. 그 동작을 간단히 살펴보면, 위상검출기에서 외부 클럭과 내부 클럭의 위상차를 비교하여 비교 결과에 대응하는 신호, 예를 들면 두 클럭 신호의 선행/지연정도에 상응되는 상승(선행) 펄스 신호나 하강(지연) 펄스 신호를 발생하게 된다. 그러면 이 신호는 충전 펌프(CP : Charge Pump)를 거쳐서 전압 신호로 변환되고 루프 필터(LP : Loop filter)를 통해 직류 성분을 추출하여 지연 시간을 가변하기 위한 콘트롤 신호가 발생되며, 전압 제어 지연 회로(VCDL : voltage controlled delay line)는 콘트롤 신호에 의해 외부 클럭을 지연시간 조정하여 내부 클럭으로 발생하며, 이러한 피드백 작업은 계속적으로 외불 클럭과 내부 클럭을 비교하고 비교된 위상차에 해당하는 만큼 계속적으로 콘트롤 신호를 변화시켜 나간다. 그러나 이러한 폐 루프 작업 때문에 수백 클럭 사이클을 돌면서 클럭을 동기시키는 시간이 길어지게 된다. 이때, 루프 특성상 동기 시간을 줄이기 위해서는 루프의 이득(gain)이 반대로 커져서 빨리 지연 시간을 변화시킬 수 있도록 하여야 한다. 이렇게 되면 클럭이 동기되었다 하더라도 내부 클럭이 큰 루프 이득 때문에 흔들리게 되어 지터 특성이 나빠지게 되며, 결국 적당한 점을 찾아 설계가 이루어져야 한다.On the other hand, the analog method such as DLL has a long time for synchronizing the clock, but because it is implemented using the analog method, it has a good jitter characteristic and is used for a very high speed interface application recently. In brief, the phase detector compares a phase difference between an external clock and an internal clock, and compares a signal corresponding to a comparison result, for example, a rising (leading) pulse signal or a falling (delay) corresponding to the leading / delay level of two clock signals. ) Generates a pulse signal. Then, this signal is converted into a voltage signal through a charge pump (CP), and a control signal for generating a variable delay time by extracting a DC component through a loop filter (LP) is generated. A voltage controlled delay line (VCDL) is generated as an internal clock by adjusting the delay time of the external clock by a control signal.This feedback operation continuously compares the external clock with the internal clock and continuously controls the corresponding phase difference. Change the signal This closed loop operation, however, lengthens the clock synchronization by hundreds of clock cycles. At this time, in order to reduce the synchronization time due to the loop characteristics, the gain of the loop is increased inversely so that the delay time can be changed quickly. This causes the internal clock to shake because of the large loop gain, even if the clock is synchronized, resulting in poor jitter.
따라서, 기존의 아날로그 방식은 루프를 통해 미세하게 지터를 제어할 수 있어 400MHz 이상의 고속 인터페이스가 필요한 곳에 많이 쓰이지만, 클럭이 동기되는 시간이 너무 긴 문제점을 가지고 있으며, 또한, 회로의 성능은 클럭의 동기 시간과 지터 사이에 관계가 있어 동기 시간을 빠르게 하기 위해서 루프의 이득을 크게 하면 지터가 늘어날 수 있는 문제점이 있다.Therefore, the conventional analog method can control the jitter finely through the loop, so it is often used where a high speed interface of 400 MHz or more is required, but the clock synchronization time is too long, and the performance of the circuit is that of the clock. Since there is a relationship between the synchronization time and the jitter, if the gain of the loop is increased to increase the synchronization time, there is a problem that the jitter may increase.
이에 비해, 디지털 방식은 여러 가지가 있는데 대표적인 SMD(synchronous mirror delay)의 동작 과정을 살펴보면, 초기에 외부 클럭의 상승 에지가 입력되면 TDC(Time to Digital Converter) 지연 어레이를 진행하게 된다. 그러면 다음의 상승 에지 때 처음 클럭의 상승 에지가 TDC를 진행한 거리를 알 수가 있다. 그 거리를 DTC(Digital to Time Converter)로 전달하여 주면 외부 클럭으로부터 내부 클럭이 발생하기 까지의 지연 시간은 클럭 주기에 일치하게 되어 클럭이 동기된다.On the other hand, there are various digital methods. When a typical synchronous mirror delay (SMD) operation is performed, when a rising edge of an external clock is input, a time to digital converter (TDC) delay array is performed. Then, at the next rising edge, you can see the distance that the rising edge of the first clock travels through the TDC. When the distance is transmitted to the DTC (Digital to Time Converter), the delay time from the external clock to the internal clock is coincided with the clock period, and the clock is synchronized.
따라서, 디지털 방식은 보통 2∼3 클럭 사이클의 빠른 동기 시간을 가지므로 저전력 모드가 있는 현재의 SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)등에서 사용되고 있다. 그러나 디지털 방식은 외부 클럭과 내부 클럭 사이의 위상차가 제조 공정에 의존적이라 비교적 큰 단점을 가지고 있다.Therefore, digital systems usually have fast synchronization times of two to three clock cycles and are therefore used in present-day synchronous dynamic RAMs (SDRAMs) with low power modes. However, the digital method has a relatively big disadvantage because the phase difference between the external clock and the internal clock is dependent on the manufacturing process.
따라서, 본 발명에서는 상술한 아날로그 및 디지털 방식의 클럭 동기 회로를 모두 채용하여 빠른 클럭 동기 시간을 가지며, 더욱 지터 특성이 좋은 클럭 동기 회로를 구현하고자 한다.Accordingly, the present invention is to implement a clock synchronizing circuit having a faster clock synchronizing time and better jitter characteristics by employing both the analog and digital clock synchronizing circuits described above.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 칩내부에 집적되어 전체 구조를 디지털 회로 부분과 작은 지터 특성을 갖는 아날로그 회로로 구성하여 먼저 빠른 클럭의 동기를 이룬 후에 다시 아날로그 회로를 구동시켜 미세한 제어를 수행할 수 있도록 하여 SDRAM이나 칩간의 인터페이스를 고속으로 수행할 수 있도록 한 빠른 클럭 동기 시간과 작은 지터 특성을 갖는 혼합 모드 클럭 동기 회로를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is integrated into the chip to configure the entire structure of an analog circuit having a digital circuit portion and a small jitter characteristics to first synchronize the fast clock and then drive the analog circuit again fine The present invention provides a mixed mode clock synchronizing circuit having a fast clock synchronizing time and a small jitter characteristic to enable a control to perform a high speed interface between an SDRAM or a chip.
도 1은 본 발명에 따른 혼합 모드 클럭 동기 회로(Mixed Mode DLL)의 구성도.1 is a block diagram of a mixed mode clock synchronization circuit (Mixed Mode DLL) according to the present invention.
도 2는 도 1의 아날로그 VCDL(Voltage Controlled Delay Line) 회로도.FIG. 2 is an analog voltage controlled delay line (VCDL) circuit diagram of FIG. 1. FIG.
도 3은 VCDL의 시뮬레이션(Simulation) 파형도.3 is a simulation waveform diagram of VCDL.
도 4는 도 1의 디지털 FDL(Fixed Delay Line) 회로도.FIG. 4 is a digital fixed delay line (FDL) circuit diagram of FIG. 1. FIG.
도 5는 본 발명에 따른 혼합 모드 클럭 동기 회로의 타이밍도.5 is a timing diagram of a mixed mode clock synchronization circuit in accordance with the present invention.
도 6은 도 4의 FDC(Fixed Delay Cell)의 타입에 따른 초기 위상차와 동기 사이클의 시뮬레이션 결과 그래프.FIG. 6 is a graph illustrating simulation results of initial phase difference and a synchronous cycle according to the type of a fixed delay cell (FDC) of FIG. 4. FIG.
도 7은 주파수에 따른 지터(jitter)와 정적 위상차의 시뮬레이션 결과 그래프.7 is a graph of simulation results of jitter and static phase difference with respect to frequency.
도 8은 200MHz에서의 시뮬레이션 파형도.8 is a simulated waveform diagram at 200 MHz.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 빠른 클럭 동기 시간과 작은 지터 특성을 갖는 혼합 모드 클럭 동기 회로는, 전체 구조를 디지털 회로 부분과 저 지터 특성을 갖는 아날로그 회로로 구성하여 먼저 빠른 클럭의 동기를 이룬 후에 다시 아날로그 회로를 구동 시켜 미세한 제어를 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.The mixed mode clock synchronizing circuit having a fast clock synchronizing time and a small jitter characteristic according to the present invention for achieving the above object consists of an analog circuit having a digital circuit portion and a low jitter characteristic, After synchronization, the analog circuit is driven again to perform fine control.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will become more apparent from the preferred embodiments of the invention described below with reference to the accompanying drawings by those skilled in the art.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 빠른 클럭 동기 시간과 작은 지터 특성을 갖는 혼합 모드 클럭 동기 회로(Mixed Delay Locked Loop)에 대한 블럭 구성도이다.1 is a block diagram of a mixed delay clock locked circuit (Mixed Delay Locked Loop) having a fast clock synchronizing time and a small jitter characteristic according to the present invention.
동 도면에 있어서, 본 발명은 아날로그 회로 부분의 전압 제어 지연 회로(VCDL : Voltage Controlled Delay Line) 부분과 디지털 회로 부분의 고정 지연 회로(FDL : Fixed Delay Line) 부분으로 이루어져 있다.In the figure, the present invention comprises a voltage controlled delay line (VCDL) portion of an analog circuit portion and a fixed delay circuit (FDL) portion of a digital circuit portion.
또한, 아날로그 회로 부분은 위상 주파수 검출기(PFD : Phase Frequency Detector), 내부 클럭 검출기(ID : Internal clock Detector), 충전 펌프(CP : Charge Pump), 1/2Vcc 발생기, 루프 필터, 제어 전압에 따라 VCDL에 원하는 전류를 흘리기위한 V-I 변환기(Voltage to Current converter) 및 VCDL로 구성된다.In addition, the analog circuit part is VCDL according to the phase frequency detector (PFD), internal clock detector (ID: Internal clock detector), charge pump (CP), 1 / 2Vcc generator, loop filter, control voltage It consists of a voltage to current converter (VI) and a VCDL to deliver the desired current.
여기서, 내부 클럭이 발생하기 전에는 내부 클럭 검출기(ID)의 출력에 의하여 위상 주파수 검출기(PFD)를 리셋시켜 위상 비교를 하지 않게 하여 충전 펌프(CP)가 필터를 충방전하는 동작을 하지 않게 함으로써 필터의 Vctl이 1/2 Vcc로 유지되게 하며, 이후 고정 지연 회로(FDL)에 의하여 초기 지연 시간이 측정되어 내부 클럭이 발생하면 내부 클럭 검출기(ID)가 위상 주파수 검출기(PFD)를 동작시키도록 구성한다.Here, before the internal clock is generated, the phase frequency detector PFD is reset by the output of the internal clock detector ID so that the phase comparison is not performed so that the charge pump CP does not operate to charge and discharge the filter. Vctl is maintained at 1/2 Vcc, and then the initial delay time is measured by the fixed delay circuit (FDL) so that the internal clock detector (ID) operates the phase frequency detector (PFD) when an internal clock is generated. do.
부연 설명하면, 전체 회로가 동작하기 않을 시에는 1/2Vcc 발생기를 루프 필터에 연결하여 Vctl을 1/2 Vcc로 유지하고 동작후 고정 지연 회로(FDL)의 MCG에서 mclk이 발생하였을 때 루프 필터와의 연결 스위치를 끊고 충전 펌프(CP)에 의해 Vctl를 변화시켜 클럭의 동기가 초기 고정 지연 회로(FDL)에 의한 지연 시간 보상 작용에 의해 1/2Vcc 근처에서 Vctl이 머물게 된다.In other words, if the whole circuit does not operate, connect the 1 / 2Vcc generator to the loop filter to keep Vctl at 1 / 2Vcc, and if mclk occurs in the MCG of the fixed delay circuit (FDL) after the operation, The Vctl stays near 1 / 2Vcc due to delay compensation by the initial fixed delay circuit (FDL).
한편, VCDL 블록은 도 2에 도시된 바와 같이, 차동 구조의 전압 제어 지연 소자(Delay Cell)와, 이중 바이어스 회로(Replica biasing)로 되어 있다. 기존의 DLL구조에서는 클럭이 동기되는 Vctl 전압은 예상하기가 어려우나 본 발명에 따른 구조에서는 초기에 디지털 회로에서 동기되는 외부 클럭과 내부 클럭의 위상차가 작기 때문에(초기 단계에서 최대 위상차는 고정 지연 셀 (FDC : Fixed Delay Cell)의 한 단 지연 시간이 된다.) 동기될 때의 Vctl전압이 1/2Vcc 근처에 있게 된다.Meanwhile, as shown in FIG. 2, the VCDL block includes a differential voltage control delay element (Delay Cell) and a double bias circuit (Replica biasing). In the existing DLL structure, the Vctl voltage at which the clock is synchronized is difficult to predict, but in the structure according to the present invention, since the phase difference between the external clock and the internal clock that is initially synchronized in the digital circuit is small (at the initial stage, the maximum phase difference is fixed delay cell ( FDC: Fixed Delay Cell) One stage delay time.) When synchronized, the Vctl voltage is near 1 / 2Vcc.
부연설명 하면, 일반적인 DLL에서 동기(locked)되었다는 것은 CP의 충전 전류량과 방전 전류량이 같아서 필터의 Vctl 전압이 변하지 않는 상태를 말한다. 그런데 PFD는 외부 클럭과 내부 클럭의 위상이 동기가되면 PFD의 출력인 UP 신호와 DN 신호가 같은 위상과 폭이 같은 펄스를 내보내는데 이상적일 경우 UP과 DN에 의해 전류를 흘리는 CP는 똑같은 충방전 전류를 가져야 한다. 그러나 기존 DLL에서는 외부 클럭과 내부 클럭이 동기 될 때의 Vctl 전압 레벨을 알 수 없다. 그러므로 필터를 충방전시키는 PMOS와 NMOS의 VDS전압의 불일치 때문에 충방전 전류량이 틀려지게 된다. 이러한 충방전 전류의 불일치는 DLL이 동기되었을 경우 외부 클럭과 내부 클럭의 위상차를 유발하게 된다. 그러므로 이러한 현상이 거의 없게 하려면 VDS를 일치시켜야 하므로 1/2 Vcc 에서 클럭을 동기시켜야 한다.In other words, locked in the general DLL means that the Vctl voltage of the filter does not change because the amount of charge current and discharge current of the CP is the same. However, when the phase of external clock and internal clock is synchronized, PFD's output UP and DN signals have the same phase and the same width, and if ideal, CP flowing current by UP and DN has the same charge and discharge. Must have current. However, in the existing DLL, the Vctl voltage level when the external clock and the internal clock are synchronized cannot be known. Therefore, the charge and discharge current amounts are different due to the mismatch between the V DS voltages of the PMOS and NMOS that charge and discharge the filter. This mismatch of charge / discharge currents causes a phase difference between the external clock and the internal clock when the DLL is synchronized. Therefore, to eliminate this phenomenon, the VDS must be matched and the clock must be synchronized at 1/2 Vcc.
그러므로, 충전 펌프(CP)의 드라이버를 최적화 할 수 있어 거의 완벽하게 CP와 V-I 사이의 커패시터인 루프 필터를 충방전 하는 전류를 일치시킬 수가 있다.Therefore, the driver of the charge pump (CP) can be optimized to almost completely match the current to charge and discharge the loop filter, the capacitor between CP and V-I.
도 3은 VCDL만을 이용한 기존의 DLL방식과 VCDL 및 FDL을 이용한 본 발명의 Vctl전압을 시뮬레이션한 파형도이다. 시뮬레이션 결과에서 보듯이 기존 DLL(Conv. VCDL)의 클럭 동기 시간(Time)은 대략 0.44 μs 이고 본 발명(With FDL)에서는 40ns 이다.3 is a waveform diagram simulating the Vctl voltage of the present invention using the conventional DLL method using only VCDL and VCDL and FDL. As shown in the simulation results, the clock synchronization time of the existing DLL (Conv. VCDL) is approximately 0.44 μs and 40 ns in the present invention (With FDL).
한편, 디지털 회로 부분의 FDL은 모니터 드라이버(Monitor Driver)인 클럭 드라이버의 Replica, TDC(Time to Digital Converter), DTC(Digital to Time Converter)로 구성되어 있으며, 초기 상태에는 VCDL의 제어 전압은 1/2Vcc로 유지되고 PFD는 ID에 의해 동작하지 않는 상태에 있다.Meanwhile, the FDL of the digital circuit part is composed of a replica of a clock driver, a monitor driver, a time to digital converter (TDC), and a digital to time converter (DTC) .In the initial state, the control voltage of the VCDL is 1 /. It is kept at 2Vcc and PFD is not operated by ID.
도 4는 디지털 FDL(Fixed Delay Line) 회로도로서, TDC와 DTC의 상세도이다. 초기 클럭 지연 시간을 측정하기 위한 블록으로서, 입력 클럭을 2분주하는 DFF, 및 MCG(Measure Clock Generator)는 플립 플롭이고 pclk노드에 첫번째 상승 에지가 도착한 바로 다음 번 외부 클럭의 상승 에지에서 mclk이 발생된다. mclk은 TDC에서 측정된 지연 시간을 샘플링하게 된다. 측정된 지연 시간은 DTC로 전달이 되어 내부 클럭 iclk이 외부 클럭의 2 사이클 후에 외부 클럭과 동기 되어 발생한다.4 is a digital fixed delay line (FDL) circuit diagram showing details of TDC and DTC. A block for measuring the initial clock delay time, DFF dividing the input clock, and Measure Clock Generator (MCG) are flip-flops and mclk occurs on the rising edge of the next external clock just after the first rising edge arrives at the pclk node. do. mclk will sample the delay time measured at the TDC. The measured delay time is transferred to the DTC so that the internal clock iclk is synchronized with the external clock after two cycles of the external clock.
이러한 구조에 있어서, MCG에서 mclk이 발생되어 TDC에서 초기 지연 시간을 측정하고 동시에 DFF을 리셋시켜 TDC의 지연 소자 어레이에 초기 지연 시간 측정 이후 더 이상 dclk이 진행하지 않게 함으로써, 전력 소모를 줄일 수 있게 된다.In this structure, mclk is generated in the MCG to measure the initial delay time at the TDC and at the same time reset the DFF so that dclk no longer proceeds after the initial delay time measurement at the delay element array of the TDC, thereby reducing power consumption. do.
도 5는 본 발명의 저주파에서 타이밍 도를 나타낸 것이다. 클럭 동기를 위한 처음 단계에서 하기의 수학식 1이 성립한다.Figure 5 shows a timing diagram at low frequencies of the present invention. Equation 1 below holds true at the first stage for clock synchronization.
초기 상태에서 외부 클럭의 2 사이클 후에 클럭 동기를 위해 tmonitor+tdummy+tcomp이 얻어진다. 여기서 tmonitor는 드라이버 Replica의 지연 시간, tdummy는 더미 게이트들의 지연 시간이고 tcomp는 처음 단계에서 클럭 동기를 위해서 FDL에 의하여 보상되는 지연 시간이다. 디지털 회로에 의한 클럭 동기 동작 이후에 VCDL의 지연 시간인 tVCDL은 클럭의 미세한 동기를 위한 아날로그 회로에 의해 가변 된다. tf/f는 FDL에 있는 DFF과 MCG의 전달 지연 시간을 나타내며, 외부 클럭(eclk)의 두번째 사이클에서 내부 클럭(iclk)가 동기되어 출력되며, 그때까지(initial step) 디지털 회로인 FDL에 의해 동작되어 vctl이 일정하게 유지되고, 다음에 아날로그 회로인 VCDL의 동작에 의거하여 미세한 동기 조정이 진행(Very fine locking process)되면서 vctl이 가변된다.After two cycles of external clock in the initial state, t monitor + t dummy + t comp is obtained for clock synchronization. Where t monitor is the delay time of the driver replica, t dummy is the delay time of the dummy gates, and t comp is the delay time compensated by the FDL for clock synchronization in the first stage. After the clock synchronizing operation by the digital circuit, the delay time t VCDL of the VCDL is changed by an analog circuit for fine synchronization of the clock. t f / f represents the propagation delay time of DFF and MCG in the FDL, and the internal clock iclk is synchronized and output in the second cycle of the external clock eclk, and by the digital circuit FDL until then (initial step) Vctl is kept constant, and vctl is variable as a fine fine locking process proceeds based on the operation of the analog circuit VCDL.
회로의 검증을 위하여 본 발명에 따른 혼합 모드 클럭 동기 회로는 0.4 μm CMOS 공정을 사용하여 설계되었으며, 도 6은 200MHz에서 각각 다른 종류의 FDC에 따른 시뮬레이션 결과이다.In order to verify the circuit, the mixed mode clock synchronization circuit according to the present invention is designed using a 0.4 μm CMOS process, and FIG. 6 shows simulation results of different types of FDC at 200 MHz.
본 발명에 따른 FDC에서는 NOR 게이트와 인버터, NAND 게이트와 인버터, 인버터와 인버터 및 차동 구조의 인버터를 사용할 수 있으며, 시뮬레이션 결과 차동 구조의 인버터(Differential INV)를 사용할 경우 처음 단계에서의 외부 클럭과 내부 클럭의 위상차(Maximum initial phase error)가 제일 작고 아날로그 회로에 의한 미세 동기 시간(Lock-on cycles)도 가장 작았다.In the FDC according to the present invention, a NOR gate and an inverter, a NAND gate and an inverter, an inverter and an inverter, and an inverter having a differential structure can be used. When a differential inverter (Differential INV) is used, the external clock and the internal stage at the first stage are used. The maximum initial phase error was the smallest and the smallest lock-on cycles by the analog circuitry.
도 7은 외부 클럭과 최종 동기된 내부 클럭 사이의 정적 위상차(Static phase error)와 지터(Jitter)에 대한 시뮬레이션 결과이다. 동 도면에 도시된 바와 같이 200MHz 클럭 주파수에서 클럭간의 정적 위상차와 지터의 합이 약 10ps 정도 이하로, 비교적 작은 클럭 사이클 미만에서 클럭이 동기되며 저 지터 특성을 갖게 된다.7 is a simulation result of static phase error and jitter between an external clock and a final synchronized internal clock. As shown in the figure, the sum of the static phase difference and jitter between clocks at a 200 MHz clock frequency is about 10 ps or less, and the clock is synchronized and has a low jitter characteristic in a relatively small clock cycle.
도 8은 3.3V 전원 전압과 200MHz 클럭 주파수에서 클럭의 동기를 보여주는 시뮬레이션 결과이다. 내부 클럭은 2번째 클럭 사이클 후(measure)에 작은 위상차를 가지고 외부 클럭과 동기되며 7번째 클럭 사이클에서 외부 클럭과 완전히 동기(Locked and Sync.)되었다.8 is a simulation result showing the clock synchronization at a 3.3V supply voltage and a 200MHz clock frequency. The internal clock is synchronized with the external clock with a small phase difference after the second clock cycle and is fully locked and synchronized with the external clock in the seventh clock cycle.
설계된 본 발명에 따른 혼합 모드 클럭 동기 회로의 전력 소모는 200MHz에서 6 mA × 3.3 V 이다. 본 발명에 따른 혼합 모드 클럭 동기 회로가 동작할 경우에는 TDC는 처음 단계에서만 동작하고 그 이후에는 동작하지 않아 전력 소모가 없으며 동작하지 않을 때에는 1/2Vcc발생기는 약 0.4μA의 적은 전류를 소모한다.The power consumption of the mixed mode clock synchronizing circuit according to the present invention designed is 6 mA x 3.3 V at 200 MHz. When the mixed mode clock synchronizing circuit according to the present invention operates, the TDC operates only in the first stage and does not operate thereafter, and there is no power consumption. When not in operation, the 1 / 2Vcc generator consumes about 0.4µA of small current.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기존의 방식에 비해 빠른 클럭 동기 시간과 더욱 개선된 저 지터 특성을 가지므로 저전력이면서 고속의 클럭 인터페이스를 필요로 하는 곳에 채용될 수 있어 DRAM등과 같은 고속 데이터 전송이 요구되는 칩에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, since it has a faster clock synchronization time and more improved low jitter than the conventional method, it can be employed where a low power and high speed clock interface is required. There is an effect that can be usefully used for the required chip.
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