KR100481195B1 - Process-and-temperature compensating method and clock generator using the same - Google Patents

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Abstract

A method for compensating a process and a temperature and a clock synthesizer using the same are provided to improve a yield and a noise property of an IC using a clock generator by checking current variations according to the process and the temperature, inverting the checked current state, and adding the inverted result to an original current. A VCO(Voltage Controlled Oscillator) is formed with a voltage current converter including a current subtraction bias circuit for checking continuously a current changed according to a process state and a temperature state, and inverting the changed current for compensating a process. A programmable frequency divider is used for dividing clock frequency generated from the VCO by N times. A phase/frequency detector compares phases and frequencies of a divided clock frequency generated from the programmable frequency divider with a reference input frequency to each other. A loop filter performs an operation for lowering a clock output frequency by lowering an input voltage of the VCO if the divided clock frequency is larger than the reference input frequency, or raising the clock output frequency if the divided clock frequency is smaller than the reference input frequency. A charge pump supplies a constant current. A bias generator supplies a necessary current for an analog circuit.

Description

공정 및 온도 보상 방법 및 이를 이용한 클럭 합성기{Process-and-temperature compensating method and clock generator using the same} Process-and-temperature compensating method and clock generator using the same

본 발명은 공정 및 온도 보상 방법 및 이를 이용한 클럭 합성기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 공정 변화 및 온도 변화에 대처하기 위해 특정한 전류를 검출하여 이를 전류 감산기를 통해 반전시키는 전류 감산 바이어스(CSB; current subtraction bias, 이하 CSB라 칭함) 및 이를 이용한 클럭 합성기에 관한 것이다.The present invention relates to a process and temperature compensation method and a clock synthesizer using the same. More specifically, the current subtraction bias (CSB) for detecting a specific current and inverting it through a current subtractor to cope with process changes and temperature changes. (Hereinafter referred to as CSB) and a clock synthesizer using the same.

클럭 합성기는 가장 중요한 클럭을 만드는 부분으로 IC의 심장 역할을 하며 대부분 위상 동기 회로(PLL; Phase Locked Loop, 이하 PLL이라 칭함) 구조를 이용하고 있다. 이는 IC 외부의 낮은 주파수를 갖는 클럭 신호를 이용하여 내부에서는 높은 주파수의 클럭을 만듦으로써, 고속의 신호가 IC 외부에서 구동될 때의 문제점을 줄일 수 있고, 다양한 주파수의 내부 클럭을 만들 수 있는 장점이 있다. The clock synthesizer is the heart of the IC that makes up the most important clock, and most of them use a phase locked circuit (PLL) structure. This is a high frequency clock internally by using a clock signal having a low frequency outside the IC, thereby reducing the problem of high-speed signal is driven outside the IC, and can create an internal clock of various frequencies There is this.

일반적인 클럭 합성기는 도 1과 같이 PLL 구조를 이용하고 있다. PLL은 프로그램 가능한 N분주기(100), 두 입력의 위상과 주파수를 비교하는 위상/주파수 검출기(PFD; phase/frequency detector, 이하 PFD라 칭함)(101), 일정한 전류를 공급하는 전하 펌프(CP; charge pump)(102)와 PLL의 대역 및 이득을 결정하는 루프 필터(LF; loop filter)(103), 전압에 따라 자체 발진 주파수를 바꾸는 전압 제어 발진기(VCO; voltage controled oscillator, 이하 VCO라 칭함)(104)와 아날로그 회로에 필요한 전류를 공급하는 바이어스 생성기(105)로 구성된다.A general clock synthesizer uses a PLL structure as shown in FIG. The PLL includes a programmable N divider 100, a phase / frequency detector (PFD) 101 that compares the phase and frequency of two inputs, and a charge pump (CP) that supplies a constant current. a charge filter (102) and a loop filter (LF) for determining the band and gain of the PLL, and a voltage controlled oscillator (VCO) that changes its oscillation frequency in accordance with voltage. 104) and a bias generator 105 for supplying the current required for the analog circuit.

일반적인 클럭 합성기의 동작은 다음과 같다. VCO에서 클럭 출력을 자체적으로 발생시키고, 주파수를 N배 분주하는 분주기에서 클럭 출력 주파수(FCKO)가 분주 클럭 주파수(FDIV = FCKO/N)로 N분주된다. 분주 클럭 주파수는 레퍼런스 입력 주파수(FREF)와 PFD에서 비교되는데, 비교된 주파수 중 분주 클럭 주파수가 크면 전하 펌프와 루프 필터에서 VCO의 입력 전압을 낮추어 클럭 출력 주파수를 낮추고, 반대로 작으면 클럭 출력 주파수를 높이는 방향으로 PLL의 피드백이 동작한다. 결과적으로는 PLL은 피드백을 통해 PFD의 두 입력 신호인 레퍼런스 입력과 분주 클럭의 주파수를 일치시키게 되며 이를 수학식 1에 나타내었다.The operation of a typical clock synthesizer is as follows. In the VCO, the clock output frequency (F CKO ) is divided by the divided clock frequency (F DIV = F CKO / N) in the divider that generates the clock output itself and divides the frequency by N times. The divided clock frequency is compared at the reference input frequency (F REF ) and the PFD.If the divided clock frequency is the larger of the compared frequencies, the charge pump and loop filter lower the input voltage of the VCO to lower the clock output frequency. The feedback of the PLL operates in the direction of increasing. As a result, the PLL uses feedback to match the frequencies of the two input signals of the PFD, the reference input and the divided clock, which are shown in Equation 1.

FREF = FDIV = FCKO/NF REF = F DIV = F CKO / N

수학식 1을 클럭 출력 주파수에 관해 정리하면 수학식 2와 같다. Equation 1 is summarized as Equation 2 with respect to the clock output frequency.

FCKO = NFREF F CKO = NF REF

따라서, 클럭 합성기의 클럭 출력 주파수는 프로그램 가능한 분주기의 분주비인 N에 비례하는 형태가 되어, 레퍼런스 입력 주파수의 정수(N)배로 합성할 수 있다. Therefore, the clock output frequency of the clock synthesizer is in a form proportional to N, which is the division ratio of the programmable divider, and can be synthesized by an integer number (N) times the reference input frequency.

이때, 클럭 출력 주파수의 범위는 VCO의 주파수 범위내로 제한된다. VCO가 IC 내부에 있으므로 클럭 출력 주파수는 전원 전압 변화, 공정 및 온도 변화에 따라 매우 크게 변하므로 안정적인 주파수 영역을 확보하기 위해서는 이에 대한 보상이 필요하다. 일반적으로 전원 전압 변동은 전압 안정기(voltage regulator)나 복사 바이어스(replica bias)를 사용하여 보상할 수 있으나, 공정과 온도에 따른 변화는 보상하지 못하고 있다. 이에 따라 일반적인 VCO의 설계시에 목표 주파수 영역보다 ±50% 이상 넓은 영역을 포함하도록 한다[Larsson. P. ; 'A 2-1600MHz CMOS clock recovery PLL with low-Vdd capability', IEEE J.Solid-State Circuits, 1999, 34, (12), pp. 1951-1960]. 그러나 이러한 넓은 주파수 영역은 클럭 합성기의 잡음 성능을 저하하는 요소가 되며, 공정 및 온도에 대한 주파수 변화를 전혀 감소시키지 못했기 때문에 이에 따른 오버헤드가 큰 단점이 있다. 따라서, VCO의 온도와 공정에 대한 주파수 감도를 낮추어 주파수를 안정화시키는 구조가 필요하다.At this time, the range of the clock output frequency is limited within the frequency range of the VCO. Because the VCO is inside the IC, the clock output frequency varies greatly with changes in supply voltage, process, and temperature, so compensation is necessary to ensure a stable frequency range. In general, supply voltage variations can be compensated for by using voltage regulators or replica biases, but cannot compensate for changes in process and temperature. As a result, the design of a typical VCO includes an area that is ± 50% wider than the target frequency area [Larsson. P.; 'A 2-1600 MHz CMOS clock recovery PLL with low-Vdd capability', IEEE J. Solid-State Circuits, 1999, 34, (12), pp. 1951-1960]. However, such a wide frequency range is a factor that degrades the noise performance of the clock synthesizer, and has a large disadvantage because it does not reduce the frequency change over process and temperature at all. Therefore, there is a need for a structure that stabilizes the frequency by lowering the frequency sensitivity of the VCO temperature and process.

도 2는 종래의 전압 제어 발진기의 구조도이다. VCO는 크게 전압을 전류로 선형 변환하는 전압-전류 변환기(VIC; voltage current converter, 이하 VIC라 함)(200)와 전류에 따라 주파수를 변화하는 전류 제어 발진기(CCO; current controlled oscillator, 이하 CCO라 함)(201)로 구성된다. 또한 CCO는 복사 바이어스(202)와 N단으로 종속 연결된 지연 소자(delay cell)(203)들로 구성된다.2 is a structural diagram of a conventional voltage controlled oscillator. The VCO is largely a voltage-to-current converter (VIC) 200 for linearly converting a voltage into a current, and a current controlled oscillator (CCO) for changing a frequency according to a current. 201). In addition, the CCO is composed of delay cells 203 cascaded to the N-stage with the radiation bias 202.

VCO는 입력 전압(Vin)을 출력 주파수로 변환시키는 회로로서, VIC에서 입력 전압을 전류(IBIAS)로 바꾸고 이 전류를 CCO에 인가하여 출력 주파수를 변화시킨다. CCO는 전원과 공정 변화의 영향을 적게 받는 구조인 복사 바이어스를 이용한 지연 소자로 구성하였다.The VCO is a circuit that converts the input voltage (V in ) to the output frequency. In the VIC, the input voltage is changed to the current (I BIAS ) and the current is applied to the CCO to change the output frequency. CCO is composed of delay elements using radiation bias, a structure that is less affected by power and process changes.

도 3은 종래의 전류 제어 발진기의 구조도이다. 전원과 공정 변화의 영향을 적게 받는 복사 바이어스(300)와 N단의 지연 소자(301)들로 구성된다. 차동 형태의 지연 소자는 전원에 대한 잡음 성능을 향상시키고, 복사 바이어스를 통한 피드백은 지연 소자의 출력 스윙폭을 전원 전압과 관계없이 일정하게 유지하여 전원 전압에 대한 주파수 변화를 감소시킨다. 지연 소자는 바이어스 전류(IBIAS)(302)를 이용하여 자체의 지연 시간(td)을 변화시킬 수 있으며, 이를 링 형태로 연결하면 CCO 전체의 지연 시간, 혹은 주파수를 바꿀 수 있게 된다.3 is a structural diagram of a conventional current controlled oscillator. It is composed of radiation bias 300 and N-stage delay elements 301 which are less affected by power and process variations. Differential delay elements improve noise performance for the supply, and feedback via radiation bias keeps the delay swing's output swing width constant regardless of the supply voltage, reducing frequency variations over the supply voltage. The delay element may change its delay time t d using the bias current I BIAS 302, and by connecting it in a ring shape, the delay time or frequency of the entire CCO may be changed.

지연 소자의 M1과 M2의 입력 전압에 따라 M1과 M2로 흐르는 전류가 변화된다. M1에 최대 게이트 전압이 걸려있을 때, 모든 바이어스 전류가 M1을 통해 흐르게 되고 이때 제 1노드(303) 전압은 최소값을 가지게 된다. 이 상태를 그대로 복사한 것이 복사 바이어스이다.The current flowing to M 1 and M 2 changes according to the input voltages of M 1 and M 2 of the delay element. When the maximum gate voltage be hung on M 1, all of the bias current is caused to flow through the M 1 wherein the first node 303. The voltage is to have a minimum value. The copy bias is copied as it is.

복사 바이어스는 바이어스 피드백을 위한 연산 증폭기(304)와 복사된 지연소자(305)로 구성된다. 복사된 지연소자에서 M5의 크기가 M1, M2와 같으면 지연 소자의 최대 출력 스윙시의 동작점이 복사된다. 이때 연산 증폭기의 +단자(306) 전압은 가상 접지에 의해 - 단자의 전압(VDD-Vsw)과 같게 된다. 복사 바이어스의 PMOS MR은 하단의 바이어스 전류와 제 2노드(306) 전압에 의해 저항값(R= VSW/IBIAS)이 결정된다. 결국 지연 소자의 PMOS M3과 M4도 복사 바이어스에 의해 게이트 전압이 피드백되므로 MR과 같은 저항값을 갖는다.The radiation bias consists of an op amp 304 and a delayed delay element 305 for bias feedback. If M 5 is equal to M 1 and M 2 in the copied delay elements, the operating point at the maximum output swing of the delay elements is copied. At this time, the voltage of the + terminal 306 of the operational amplifier is equal to the voltage (VDD-V sw ) of the-terminal by the virtual ground. In the PMOS M R of the radiation bias, the resistance value R = V SW / I BIAS is determined by the bias current at the bottom and the voltage of the second node 306. As a result, the PMOS M 3 and M 4 of the delay element also have the same resistance as M R because the gate voltage is fed back by the radiation bias.

결론적으로 지연 소자의 지연시간(td)은 제 1노드(303)에서 보이는 저항값과 커패시턴스에 의해 정해지기 때문에 수학식 3과 같다.In conclusion, since the delay time t d of the delay element is determined by the resistance value and capacitance seen in the first node 303, it is represented by Equation 3 below.

td = RC/2 = Vsw CL / (2 IBIAS) t d = RC / 2 = V sw C L / (2 I BIAS )

여기서, Vsw는 복사 바이어스의 출력 스윙 고정 전압이고, CL은 출력단(303)에서 보이는 커패시턴스이고, IBIAS는 지연소자에 흐르는 바이어스 전류이다. 따라서, 복사 바이어스를 사용한 지연소자는 1차적으로 전원전압에 대한 영향이 없고, 단지 바이어스 전류(IBIAS)에 의한 영향이 가장 크기 때문에, 바이어스 전류의 공정 변화와 온도 변화에 대한 성능이 지연 시간의 성능을 좌우하는 가장 큰 요인이 된다.Where V sw is the output swing fixed voltage of the radiation bias, C L is the capacitance seen at the output stage 303, and I BIAS is the bias current flowing through the delay element. Therefore, since the delay element using the radiation bias has no influence on the power supply voltage primarily and only the influence by the bias current I BIAS is large, the performance against the process change and the temperature change of the bias current is increased. It is the biggest factor in determining performance.

도 4(가)는 도 2의 VIC(200)의 상세도로서 도 3의 지연소자의 바이어스 전류(302)를 생성하는 일반적인 VIC이다. VIC는 입력 전압(Vin)을 선형적으로 전류로 변환하는 선형 전압 전류 블록(401)과 최소 바이어스 전류를 만드는 최소 전류 생성 블록(402)으로 구성된다. 최소 전류 생성 블록은 입력 전압이 M1의 문턱 전압(Vth) 이하에서 선형 전압 전류 블록의 출력 전류(IVIC)가 없기 때문에 이를 보상하기 위해 첨가되었고, 일반적으로 일정한 전류(FB; fixed bias, 이하 FB라 칭함)가 흐르는 고정 바이어스(IFB)를 사용한다. 이 회로의 출력 전류(IOUT,FB)는 선형 전압 전류 블록에서 발생된 전류(IVIC)와 최소 전류 생성 블록에서 발생된 고정 전류(IFB)의 합이다. 이를 도 4(나)에 나타내었고 각각의 전류식은 수학식 4와 수학식 5에 나타내었다.4A is a detailed view of the VIC 200 of FIG. 2, which is a general VIC generating the bias current 302 of the delay device of FIG. 3. The VIC consists of a linear voltage current block 401 that converts the input voltage V in linearly into a current and a minimum current generation block 402 that produces a minimum bias current. The minimum current generation block is added to compensate for the absence of the output current (I VIC ) of the linear voltage current block below the threshold voltage (V th ) of M1, and is generally fixed current (FB) or less. A fixed bias I FB through which FB flows) is used. The output current I OUT, FB of this circuit is the sum of the current I VIC generated in the linear voltage current block and the fixed current I FB generated in the minimum current generation block. This is shown in Figure 4 (b) and each current equation is shown in equations (4) and (5).

IVIC = (Vin - Vth) / R I VIC = (V in -V th ) / R

IOUT,FB = IVIC + IFB = (Vin - Vth) / R + I FB I OUT, FB = I VIC + I FB = (V in -V th ) / R + I FB

여기서, Vin은 전압 전류 변환기의 입력 전압이고, Vth는 M1의 문턱전압이다. 따라서, 수학식 5의 고정 출력 전류(IOUT,FB)에서 공정과 온도 변화에 대해 가장 크게 영향을 받는 부분은 트랜지스터의 문턱 전압임을 알 수 있다.Where V in is the input voltage of the voltage current converter and V th is the threshold voltage of M 1 . Accordingly, it can be seen that the portion of the fixed output currents I OUT and FB of Equation 5 most affected by the process and temperature changes is the threshold voltage of the transistor.

도 4(다)는 온도와 공정 변화에 따른 전압 전류 변환기 출력 전류에 대한 시뮬레이션 결과로서, 각 공정과 온도 파라미터 값에 의해 전류 오차가 발생하는 것을 알 수 있다. 여기서 빠른 트랜지스터 공정 변화는 FF(FastFast, 이하 FF라 칭함), 보통 트랜지스터 공정 변화는 TT(TypicalTypical, 이하 TT라 칭함), 느린 트랜지스터 공정 변화는 SS(SlowSlow, 이하 SS라 칭함)로 표기하였다. -40℃의 낮은 온도는 LT(Low Temperature, 이하 LT라 칭함), 25℃ 상온은 RT(Room Temerature, 이하 RT라 칭함), 120℃의 높은 온도는 HT(High Temperature, 이하 HT라 칭함)로 나타낸다.4 (C) is a simulation result of the voltage current converter output current according to the temperature and the process change, it can be seen that the current error occurs by each process and the temperature parameter value. The fast transistor process change is referred to herein as FF (FastFast, FF), the normal transistor process change is TT (TypicalTypical, TT), and the slow transistor process change is referred to as SS (SlowSlow, hereinafter SS). Low temperature of -40 ℃ is LT (Low Temperature), 25 ℃ room temperature is RT (Room Temerature, RT), and 120 ℃ high temperature is HT (High Temperature, HT) Indicates.

결론적으로 일반적인 VIC에서 공정과 온도에 대한 트랜지스터의 문턱 전압의 변화는 그대로 출력 전류(IOUT,FB)에 나타나고, 이 출력 전류를 도 3의 지연 소자의 바이어스 전류(IBIAS)로 사용할 때 공정과 온도에 따라 지연 소자의 지연 시간이 변하게 되어 결국은 도 2의 전압 제어 발진기의 지연 시간 혹은 주파수 변화 및 오차범위의 확대로 인한 잡음 특성을 지니는 등의 단점이 있었다.Consequently, when used as a general change in the threshold voltage of the transistor of the step and the temperature in the VIC is output as the current (I OUT, FB) appear, and the bias current (I BIAS) of the delay element of Figure 3 the output current in step and The delay time of the delay element is changed according to temperature, and thus, the delay time or the frequency change of the voltage controlled oscillator of FIG.

종래기술인 미국 등록특허 제5847616호는 참조 전압 발생기 및 비교기를 이용하여 제조 공정, 파워 제공 및 공정 온도에 의한 변화를 보상하는 전압 제어 발진기로서 지연소자의 사용 및 배치로 인한 기생용량 및 임피던스 매칭 문제가 있다는 단점이 있었다.Prior art US Pat. No. 58,476,16 is a voltage controlled oscillator that compensates for changes in manufacturing process, power supply, and process temperature using reference voltage generators and comparators. There was a disadvantage.

또한 종래기술인 대한민국 공개특허 제10-1995-7002969호의 효율적인 공정 보상 기능을 갖는 전압 제어 발진기는 전류 감산 바이어스의 개념은 유사하나 제2전류원을 따로 두어 드레인-소스 사이의 전류를 검출하는 전류검출기를 이용하여 공정, 온도 및 공급 전압의 범위에 대해 보상하는 것이다. 그러나, 상기의 종래기술은 다단 링 발진기를 포함하고 있어 회로가 복잡하며 제1전류원 및 제2전류원을 따로 두어야 한다는 단점이 있었다.In addition, the voltage controlled oscillator having the efficient process compensation function of the prior art Korean Patent Application Publication No. 10-1995-7002969 uses a current detector that detects the current between the drain and the source by keeping a second current source but similar in concept of current subtraction bias. To compensate for the range of process, temperature and supply voltage. However, the prior art includes a multi-stage ring oscillator, which has a disadvantage in that the circuit is complicated and the first current source and the second current source must be separated.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 온도 변화에 민감한 아날로그 회로의 보상 기법으로 CSB 개념을 제공하여 아날로그 회로의 수율, 성능의 개선 및 VCO의 공정과 온도 변화에 대한 주파수 변화를 감소시키는 공정 및 온도 보상 방법 및 이를 이용한 클럭 합성기를 제공함에 본 발명의 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, by providing a CSB concept as a compensation scheme of analog circuits sensitive to temperature changes, improving the yield, performance of the analog circuit and the process and temperature of the VCO. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a process and a temperature compensating method for reducing a frequency change with respect to a change and a clock synthesizer using the same.

본 발명의 상기 목적은 공정 및 온도 상황에 따라 변화하는 전류를 연속적으로 체크하고 이 때의 변화 전류를 반전시켜 공정 보상에 이용하는 전류 감산 바이어스(CSB) 회로를 적용한 전압 전류 변환기(VIC)로 구성된 전압 제어 발진기(VCO); 상기 전압 제어 발진기로부터 발생된 클럭 주파수를 N배 분주하는 프로그램 가능한 분주기; 상기 프로그램 가능한 분주기로부터 발생된 분주 클럭 주파수와 레퍼런스 입력 주파수의 위상과 주파수를 비교하는 위상/주파수 검출기; 상기 위상/주파수 검출기에서 비교된 주파수 중 분주 클럭 주파수의 크기가 크면 전압 제어 발진기의 입력 전압을 낮추어 클럭 출력 주파수를 낮추고, 반대로 작으면 클럭 출력 주파수를 높이는 동작을 수행하는 루프 필터; 일정한 전류를 공급하는 전하 펌프; 및 아날로그 회로에 필요한 전류를 공급하는 바이어스 생성기를 포함하여 이루어진 공정 및 온도 보상 방법 및 이를 이용한 클럭 합성기에 의해 달성된다.The above object of the present invention is a voltage composed of a voltage current converter (VIC) applying a current subtraction bias (CSB) circuit used for process compensation by continuously checking the current that changes according to the process and temperature conditions and inverting the change current at this time. Controlled oscillator (VCO); A programmable divider for dividing the clock frequency generated by the voltage controlled oscillator N times; A phase / frequency detector for comparing the phase and frequency of the divided clock frequency generated from the programmable divider with a reference input frequency; A loop filter for lowering the clock output frequency by lowering the input voltage of the voltage controlled oscillator if the frequency of the divided clock frequency among the frequencies compared by the phase / frequency detector is large; A charge pump for supplying a constant current; And a bias generator for supplying a current required for the analog circuit, and a temperature compensating method and a clock synthesizer using the same.

본 발명에 의한 CSB는 공정 변화 및 온도 변화를 지속적으로 검출하여 이를 전류로 변환하고 변화량만큼 보상시키는 개념으로 이를 검증하기 위해 많은 IC의 핵심 블록 중 하나인 클럭 합성기에 CSB 개념을 적용하였다.In the CSB according to the present invention, the CSB concept is applied to a clock synthesizer, which is one of the core blocks of many ICs.

클럭 합성기는 전압 제어 발진기(VCO; voltage controlled oscillator, 이하 VCO라 칭함)같은 아날로그 회로가 포함되어 있다. 아날로그 회로는 디지털 회로에 비해 온도와 공정 변화에 매우 민감하기 때문에 아날로그 회로가 전체 IC의 수율을 결정하는 중요한 요인이 된다. The clock synthesizer includes an analog circuit such as a voltage controlled oscillator (VCO). Analog circuits are more sensitive to temperature and process variations than digital circuits, making analog circuits an important factor in determining overall IC yield.

따라서, 공정과 온도 변화에 민감한 아날로그 회로인 VCO에 CSB를 적용하면 공정 및 온도 변화에 따른 주파수 변동 영향을 줄일 수 있다. 공정과 온도 변화에 강한 주파수 특성으로 인해 CSB를 적용한 VCO는 주파수 오차 범위가 적기 때문에 설계가 쉽고, 설계 주파수 영역을 줄일 수 있기 때문에 잡음 성능이 개선된다. 또한 공정 및 온도 변화에 가장 민감한 아날로그 회로의 수율이 개선되므로 클럭 합성기뿐 아니라 전체 IC의 수율과 성능이 개선된다.Therefore, applying CSB to VCO, an analog circuit sensitive to process and temperature changes, can reduce the influence of frequency variation due to process and temperature changes. Due to the strong frequency response to process and temperature variations, the VCO with CSB is easy to design because of its low frequency error range and improves noise performance because the design frequency range is reduced. In addition, the yield of analog circuits that are most sensitive to process and temperature changes improves the yield and performance of the entire IC, not just the clock synthesizer.

또한 발명된 CSB 회로는 클럭 합성기뿐만 아니라 고속 I/O나 바이어스 회로, 지연 동기 회로(DLL; Delayed Locked Loop, 이하 DLL이라 칭함) 등의 공정 및 온도 보상을 위한 회로에도 매우 적합하다.In addition, the CSB circuit of the present invention is well suited not only for a clock synthesizer but also for circuits for process and temperature compensation, such as high-speed I / O, bias circuits, and delay locked circuits (DLLs).

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.

도 5는 공정과 온도 변화를 보상하는 전류 감산 바이어스(CSB)의 개념도이다. 온도와 공정 상황에 따라 변화하는 전류를 연속적으로 체크하고 이 때의 변화 전류를 반전시켜 공정 보상에 이용하는 것이다. 일례로 일반적인 트랜지스터의 공정과 온도에 의한 영향을 체크하여 이를 반전시켜 보상에 이용할 수 있다. 도 5(가)는 일반적인 NMOS 트랜지스터에서 일정한 게이트-소스 전압과 드레인-소스 전압 하에서 흐르는 전류(Id)의 온도 및 공정 변화에 대한 특성이다. 전류(Id)는 공정 조건이 FF이고 온도가 낮을수록 많이 흐르고, 반대로 공정 조건이 SS이고 온도가 높을수록 적게 흐른다. 이와 반전된 특성을 얻기 위해 도 5(가)의 정전류원(IC)에서 검출된 전류(Id)를 빼면 도 5(나)와 같이 공정 조건과 온도에 반대되는 전류 특성(ICSB= IC-Id)을 얻을 수 있다. 이 전류는 공정과 온도 변화에 대한 성분을 검출한 것으로 이 전류를 사용하여 공정과 온도에 대한 보상이 가능하다.5 is a conceptual diagram of a current subtraction bias (CSB) that compensates for process and temperature variations. The current that changes according to temperature and process conditions is continuously checked and the current changed at this time is inverted and used for process compensation. For example, it can be used for compensation by checking the influence of the process and temperature of a general transistor and inverting it. FIG. 5A is a characteristic of the temperature and process change of the current I d flowing under a constant gate-source voltage and drain-source voltage in a typical NMOS transistor. The current I d flows more at a process temperature of FF and at a lower temperature, and conversely, at a process temperature of SS and at a higher temperature. In order to obtain an inverted characteristic constant current source of Fig. 5 (a) current characteristics, as opposed to processing conditions and temperature as shown in (I C), 5 (b) also by subtracting the detected current (I d) in (I CSB = I C -I d ). This current is a component of the process and temperature changes that can be used to compensate for the process and temperature.

도 6은 도 5의 CSB 개념을 구현한 회로의 한가지 예로서 CSB 회로는 일정한 전류를 공급하는 정전류원 IC(602), 검출 전류 Id를 생성하는 전류 검출기 혹은 센서(601), 정전류원 IC에서 검출 전류 Id의 뺄셈을 수행하는 전류 감산기(Current Subtractor)(600)로 구성된다. CSB 회로는 전류 검출기에서 보상하고자 하는 전류(Id)를 검출하고, 이를 정전류원의 전류(IC)와 비교하여 그 차를 출력하는 형태로 전류 보상을 한다. 전류 검출기를 도 5(가)와 같은 일정한 게이트-소스 전압과 드레인-소스 전압 하의 트랜지스터로 구성하여 검출 전류(Id)를 생성하면 전류 감산 바이어스의 보상 전류(ICSB)는 도 5(나)와 같은 반전된 전류 특성을 얻게 된다.6 illustrates an example of a circuit implementing the CSB concept of FIG. 5. The CSB circuit includes a constant current source I C 602 for supplying a constant current, a current detector or sensor 601 for generating a detection current I d , and a constant current source I. A current subtractor 600 performing subtraction of the detection current I d at C. The CSB circuit detects the current I d to be compensated by the current detector, compares it with the current I C of the constant current source, and compensates the current in the form of outputting the difference. When the current detector is composed of transistors under a constant gate-source voltage and drain-source voltage as shown in FIG. 5A to generate a detection current I d , the compensation current I CSB of the current subtraction bias is shown in FIG. 5B. Inverted current characteristics such as

도 7은 발명된 CSB를 도 2의 전압 전류 변환기(200)에 적용한 것이다. CSB를 사용한 VIC는 CSB 바이어스(700), 선형 전압 전류 변환 블록(701)과 두 전류를 합산하는 전류 합산기(current adder)(706)로 구성된다. 발명된 CSB의 전류 검출기는 VIC(702)와 동일한 구조(M1=Md 및 동일 저항)를 사용하여 전류를 검출한다. 전류 매칭 특성을 위해 M1과 Md 와 저항을 최대한 가까이 배치하여 두 트랜지스터 문턱 전압 차이 및 저항 값의 차이를 최소화할 수 있다.FIG. 7 applies the inventive CSB to the voltage current converter 200 of FIG. 2. The VIC using the CSB consists of a CSB bias 700, a linear voltage current conversion block 701, and a current adder 706 that sums the two currents. The current detector of the CSB of the invention detects the current using the same structure (M 1 = M d and the same resistance) as the VIC 702. M 1 and M d and resistors can be placed as close as possible for current matching to minimize the difference between the two transistor threshold voltages and resistance values.

선형 전압 전류 변환 블록은 기본적으로 입력 전압에 따라 선형적으로 전류를 변화시키는 회로지만, 이와 독립적으로 공정과 온도에 따라서도 전류가 변화된다. 이 두 전류를 분리하여, 전압에 따라 변화하는 성분은 그대로 두고, 공정과 온도 변화에 따른 전류를 제거하면 공정 및 온도에 대한 보상이 가능하다. 검출 트랜지스터인 Md에 입력 전압(Vin)이 아닌 정전압원(Vc)(704)을 연결하면 온도 및 공정 상황에 따라 전류가 바뀌는 성분만 검출된다.Linear voltage current conversion block is basically a circuit that changes the current linearly with the input voltage, but independently the current also changes with the process and temperature. By separating these two currents, leaving the components that change with voltage as they are, and removing the currents due to process and temperature changes, process and temperature compensation is possible. When the constant voltage source V c 704 is connected to the detection transistor M d instead of the input voltage V in , only components whose current changes according to temperature and process conditions are detected.

정전압원은 전원 전압, 공정 변화 및 온도에 대한 변동 특성이 매우 좋은 밴드갭 레퍼런스(bandgap reference) 전압을 사용하거나 외부에서 독립적인 전원을 인가하는 것도 가능하다. 온도와 공정 변화를 검출한 전류는 전류 합산기(706)에서 반전된 형태로 전압-전류 변환 전류(IVIC)와 더해지기 때문에 공정 및 온도에 대한 전류 변화를 줄일 수 있다.The constant voltage source may use a bandgap reference voltage having a very good variation in supply voltage, process variation, and temperature, or may be externally supplied with an independent power supply. The current detecting the temperature and the process change is added to the voltage-current conversion current (I VIC ) in an inverted form in the current summer 706, thereby reducing the current change with respect to the process and temperature.

도 8은 정전압원을 이용한 정전류원의 구조도이다. 즉, 도 7의 정전류원(705)을 나타낸 것이다. 정전류원은 전압을 전류로 바꾸는 전압-전류 변환 블록(800)과 바뀐 전류를 이용하여 특정 전류값의 정전류원으로 만드는 전류 거울 블록(804)으로 구성된다. 전압 전류 변환 블록은 연산증폭기(801)와 저항(803) 및 피드백을 위한 트랜지스터(802)로 이루어진다. 전압 전류 변환 블록의 동작은 다음과 같다. 피드백된 연산증폭기의 가상 접지(virtual ground) 특성을 이용하여 +단자(805) 전압이 -단자 전압인 VC로 설정된다. 이 때 저항(803)에 흐르는 전류는 VC/R로 되어, 공정 변화, 전원 전압과 온도 변화에 무관하다. 전압 전류 변환 블록(800)에서 생성한 정전류를 원하는 값의 전류원으로 만들기 위해 1:K배의 전류 거울(804)를 이용하였다. 도 7의 정전류원(705)는 전류 거울의 비를 1:2로 설정하여 원하는 정전류원의 전류(IC)를 2VC/R로 만든 것이다.8 is a structural diagram of a constant current source using a constant voltage source. That is, the constant current source 705 of FIG. 7 is shown. The constant current source consists of a voltage-to-current conversion block 800 for converting a voltage into a current and a current mirror block 804 using the changed current to make a constant current source of a specific current value. The voltage current conversion block consists of an operational amplifier 801, a resistor 803, and a transistor 802 for feedback. The operation of the voltage current conversion block is as follows. Using the virtual ground (virtual ground) characteristics of the operational amplifier feedback + terminal 805 voltage - is set to a terminal voltage of V C. At this time, the current flowing through the resistor 803 becomes V C / R and is independent of process changes, power supply voltages, and temperature changes. A 1: K times current mirror 804 was used to make the constant current generated in the voltage current conversion block 800 into a current source of a desired value. The constant current source 705 of FIG. 7 sets the ratio of the current mirror to 1: 2 to make the current I C of the desired constant current source 2V C / R.

따라서, 도 7의 온도 및 공정의 보상 전류인 ICSB는 수학식 6과 같다.Therefore, I CSB, which is a compensation current of the temperature and the process of FIG. 7, is represented by Equation 6 below.

ICSB = Ic - Id = (2Vc/R) - ((Vc - Vth,Md )/R) = ((Vc + Vth,Md)/R)I CSB = I c -I d = (2V c / R)-((V c -V th, Md ) / R) = ((V c + V th, Md ) / R)

여기서, Vth,Md는 Md의 문턱 전압이다.Where V th, Md is the threshold voltage of M d .

M1과 Md를 매칭 특성이 있도록 최대한 가깝게 배치하였기 때문에 두 트랜지스터의 문턱 전압은 같다(Vth,M1 =Vth,Md)고 할 수 있다. 따라서, 전류 감산 바이어스 전류(IOUT,CSB)는 수학식 7과 같이 표현된다.Since M 1 and M d are arranged as close as possible to have matching characteristics, the threshold voltages of the two transistors are the same (V th, M1 = V th, Md ). Therefore, the current subtractive bias currents I OUT and CSB are expressed as shown in Equation (7).

IOUT,CSB = IVIC - ICSB = (Vin - Vth,M1/R) + ((V c + Vth,Md)/R) ≒ ((Vin + Vc)/R)I OUT, CSB = I VIC -I CSB = (V in -V th, M1 / R) + ((V c + V th, Md ) / R) ≒ ((V in + V c ) / R)

수학식 7의 IOUT,CSB 와 수학식 5의 IOUT,FS 전류를 비교하면 전압에 비례하는 성분(Vin/R)은 수학식 5와 동일하지만, 공정과 온도에 변화하는 항목인 문턱 전압(Vth ) 항목은 제거되어 온도 및 공정에 대한 보상이 이루어진 것을 알 수 있다. 따라서, 수학식 7은 본 발명의 전류 감산 바이어스가 VIC의 공정 및 온도에 대한 영향을 효과적으로 줄일 수 있음을 보여준다.Comparing I OUT, CSB of Equation 7 and I OUT, FS current of Equation 5 , the component proportional to the voltage (V in / R) is the same as Equation 5, but the threshold voltage which is an item that changes in process and temperature It can be seen that the item (V th ) has been removed to compensate for the temperature and the process. Thus, Equation 7 shows that the current subtraction bias of the present invention can effectively reduce the effects on the process and temperature of the VIC.

도 9는 발명된 CSB와 CCO를 연결한 VCO를 나타낸 것이다. 기존 FB(900)와 본 발명의 CSB(901)를 비교하기 위해 동일한 CCO(903)를 사용하였고, 멀티플렉서(MUX; Mulitiplexer)(902)를 통해 FB와 CSB를 선택하도록 하였다. 기존 FB와 발명된 CSB를 선택할 때 각각의 전압 제어 발진기의 주파수를 비교하면 공정 및 온도 보상 회로의 특성을 비교 검증할 수 있다.9 shows a VCO connecting the invention CSB and CCO. The same CCO 903 was used to compare the existing FB 900 and the CSB 901 of the present invention, and the FB and CSB were selected through a multiplexer (MUX; Mulitiplexer) 902. When selecting the conventional FB and the invented CSB, the frequency of each voltage controlled oscillator can be compared to verify the characteristics of the process and temperature compensation circuits.

VCO의 동작 주파수는 지연 소자가 N개 있을 때, 각 단의 지연 시간(td)에 따라 루프를 한바퀴 도는 시간의 역수이므로 수학식 8과 같다.Since the operating frequency of the VCO is the inverse of the time to round the loop according to the delay time (t d ) of each stage when there are N delay elements, Equation (8).

fVCO = 1/2tdNf VCO = 1 / 2t d N

기존 FB VIC(900)와 연결된 VCO(FB VCO; fixed-biased VCO, 이하 FB VCO라 칭함)의 주파수(fVCO,FB)는 수학식 3, 5와 8을 이용해 구할 수 있다.The frequencies f VCO and FB of a VCO connected to the existing FB VIC 900 (FB VCO; fixed-biased VCO, hereinafter referred to as FB VCO) may be obtained by using Equations 3, 5, and 8.

fVCO,FB = 1/2tdN ≒ (Vin - Vth + IFBR)/V SWRCLNf VCO, FB = 1 / 2t d N ≒ (V in -V th + I FB R) / V SW RC L N

수학식 9는 기존 FB VCO가 공정과 온도에 대해 변화가 큰 문턱 전압(Vth)의 함수라는 것을 보여준다.Equation 9 shows that the existing FB VCO is a function of a large threshold voltage (V th ) with respect to process and temperature.

이에 대해 발명된 CSB VIC(901)와 연결된 VCO(CSB VCO; current subtraction biased VCO, 이하 CSB VCO라 함)의 주파수(fVCO,CSB)는 수학식 3, 7과 8을 이용해 구할 수 있다.The frequencies f VCO and CSB of the VCOs connected to the CSB VIC 901 (CSB VCOs, hereinafter referred to as CSB VCOs) connected to the invented CSB VIC 901 may be obtained using Equations 3, 7, and 8.

fVCO,CSB = 1/2tdN ≒ (Vin + VC)/VSWRCL Nf VCO, CSB = 1 / 2t d N ≒ (V in + V C ) / V SW RC L N

수학식 9와 수학식 10을 비교하면 FB VCO의 주파수는 트랜지스터의 문턱 전압에 선형적으로 영향을 받게 되지만, 발명된 CSB VCO 주파수는 트랜지스터의 문턱 전압 성분이 없어지고, 정전압원의 영향을 받게 되므로 이에 따라 공정 및 온도에 대한 영향이 적어졌다는 것을 알 수 있다.Comparing Equation 9 and Equation 10, the frequency of the FB VCO is linearly influenced by the threshold voltage of the transistor, but the invention CSB VCO frequency has no threshold voltage component of the transistor and is affected by the constant voltage source. As a result, it can be seen that the influence on the process and temperature is reduced.

또 하나의 중요한 관점으로 수학식 10의 결과로서 CSB VCO의 주파수는 문턱 전압 변화 요소를 없앴지만, 아직도 각 요소들의 온도 계수(TC; Temperature Coefficient, 이하 TC라 칭함)에 의해 온도 변화에 대한 영향이 남아 있다. 이 요소들 중 가장 큰 온도 계수는 저항의 온도에 따라 증가하는 변화(+TC)이다. 이를 보상하기 위해 정전압원인 Vc를 온도에 대해 비례하는 PTAT(Proportional-To-Absolute-Temperature) 회로를 이용하여 저항과 동일한 TC를 갖도록 설계한다. 따라서, CSB VCO의 온도에 대한 주파수 변동을 보상하기 위해 정전압원 VC 온도 계수를 조절하므로 더욱 효과적인 보상이 가능하다.In another important aspect, the frequency of CSB VCO eliminated the threshold voltage change factor as a result of Equation 10, but the influence of temperature change is still influenced by the temperature coefficient (TC) of each element. Remains. The largest temperature coefficient of these factors is the change (+ TC) that increases with the temperature of the resistor. To compensate for this, a constant voltage source, V c , is designed to have the same TC as the resistance using a proportional-to-absolute-temperature (PTAT) circuit proportional to temperature. Therefore, the constant voltage source V C to compensate for the frequency variation of the temperature of the VCO CSB By adjusting the temperature coefficient, more effective compensation is possible.

도 10(가)는 FB VCO의 전압에 대한 출력 주파수 특성으로 온도와 공정 변화의 결과도이다. FB VCO에서는 공정(온도) 변화의 SS(HT)와 FF(LT) 사이에서 주파수 차이가 2배 가까이 나게 된다. 따라서, 공정 및 온도 변화를 만족시키는 주파수 영역은 매우 좁다. 이에 비해 도 10(나)에 나타낸 CSB VCO의 출력 주파수 특성은 공정 및 온도에 대한 보상을 통해 주파수 변화가 감소되면서 사용가능한 주파수 영역이 넓어지고, 결과적으로 VCO의 잡음 및 수율이 개선되며, 설계도 용이하다.Figure 10 (a) is a result of the temperature and process changes as the output frequency characteristics of the voltage of the FB VCO. In an FB VCO, the frequency difference is nearly doubled between SS (HT) and FF (LT) in the process (temperature) change. Thus, the frequency range that satisfies process and temperature variations is very narrow. On the other hand, the output frequency characteristic of the CSB VCO shown in FIG. 10 (b) is wider in the usable frequency range as the frequency change is reduced through process and temperature compensation, and as a result, the noise and yield of the VCO are improved, and the design is easy. Do.

도 11은 고정된 입력 전압(Vin) 상에서 전압 제어 발진기의 주파수를 98개의 샘플을 가지고 측정한 결과이다. 칩간의 주파수 변량을 측정했을 때, 본 발명의 CSB VCO는 최대 58.5 MHz인 반면 기존 FB VCO에서는 91.8 MHz 이었고, 공정에 대한 주파수 변화 영역 혹은 주파수 안정도가 36% 향상된 것을 나타낸다. 이러한 향상은 문턱전압의 검출과 제거를 통해 얻은 것이다.11 shows the results of measuring the frequency of the voltage controlled oscillator with 98 samples on a fixed input voltage (V in ). When measuring the frequency variation between chips, the CSB VCO of the present invention was up to 58.5 MHz while the conventional FB VCO was 91.8 MHz, indicating a 36% improvement in the frequency change range or frequency stability for the process. This improvement is achieved through the detection and removal of threshold voltages.

도 12는 -20℃에서 100℃까지 측정한 온도 변화에 따른 VCO 주파수 특성이다. 측정된 온도 계수는 발명한 CSB VCO에서는 +0.058 MHz/℃인 반면 기존의 FB VCO에서는 -0.244 MHz/℃로, 76%의 향상을 나타낸다. 온도에 대한 보상 효과는 문턱 전압의 제거 뿐만 아니라 의도적으로 사용한 PTAT 정전압원으로 저항의 온도 변화를 보상하기 때문이다.12 is a VCO frequency characteristics according to the temperature change measured from -20 ℃ to 100 ℃. The measured temperature coefficient is +0.058 MHz / ° C in the invented CSB VCO while it is -0.244 MHz / ° C in the conventional FB VCO, indicating a 76% improvement. The compensation effect on temperature is due to the removal of the threshold voltage as well as the compensation of the temperature change of the resistor with a deliberately used PTAT constant voltage source.

도 13은 발명한 CSB를 사용한 VCO를 클럭 합성기에 적용한 블록도를 나타낸 것이다. 도 1의 모든 블록을 그대로 사용하며 VCO만 대체가 가능하고, CSB의 크기 및 소모 전류가 매우 적기 때문에 적용이 간편하며 이식성이 좋다. 또한 이를 사용하면 VCO 영역과 VCO 이득을 작게 만들 수 있기 때문에 클럭 합성기의 잡음 특성이 개선되고, 수율 또한 증가된다.Figure 13 shows a block diagram of applying a VCO using the invention CSB to the clock synthesizer. All the blocks of FIG. 1 are used as they are, and only VCOs can be replaced. Since the size and power consumption of the CSB are very small, application is easy and portability is good. It also makes the VCO area and VCO gain small, which improves the noise characteristics of the clock synthesizer and increases the yield.

또한, 전류 감산 바이어스는 사용되는 트랜지스터 개수가 50개 미만으로 매우 적은 면적 및 전력으로 구현이 가능하고 기존의 바이어스와 대체 및 이식성이 매우 좋다.In addition, the current subtractive bias can be implemented in a very small area and power with less than 50 transistors used, and the replacement and portability of the existing bias is very good.

도 14는 발명한 전류 감산 바이어스를 사용한 전압 제어 발진기를 800MHz 클럭 합성기에 적용하여 이를 위상 고정시켰을 때의 출력 파형이다. 800MHz 위상 고정 시에 지터를 측정한 결과 7ps의 rms 지터와 56ps의 피크-피크 지터의 저잡음 성능을 나타낸다.Fig. 14 is an output waveform when the voltage controlled oscillator using the current subtracting bias is applied to an 800 MHz clock synthesizer to fix the phase. Jitter measurements at 800 MHz phase lock show low noise performance with 7ps rms jitter and 56ps peak-peak jitter.

도 15는 지연 라인을 이용한 DLL의 블록도이다. DLL은 PLL과 근본적으로 비슷하지만 PLL과는 달리 지연 소자를 이용한 링 발진기를 만들지 않고, 대신 레퍼런스 신호의 지연 시간을 변화시켜 위상 고정을 하는 형태이다. DLL은 필요시 첨가할 수 있는 프로그램 가능한 N분주기(1500), 두 입력의 위상과 주파수를 비교하는 위상/주파수 검출기(PFD)(1501), 일정한 전류를 공급하는 전하 펌프(CP)(1502)와 DLL 대역을 결정하는 루프 필터(1503), 전압에 따라 지연 시간을 변화시키는 전압제어 지연라인(VCDL; voltage controlled delay line, 이하 VCDL이라 칭함)(1504)와 아날로그 회로에 필요한 전류를 공급하는 바이어스 생성기(1505)로 구성된다. 각 VCDL을 제외한 구성 요소는 PLL과 동일하다.15 is a block diagram of a DLL using a delay line. The DLL is fundamentally similar to the PLL, but unlike the PLL, it does not make a ring oscillator using a delay element, but instead, phase-locks by changing the delay time of the reference signal. The DLL includes a programmable N divider 1500 that can be added as needed, a phase / frequency detector (PFD) 1501 that compares the phase and frequency of the two inputs, and a charge pump (CP) 1502 that supplies a constant current. And loop filter 1503 for determining a DLL band, a voltage controlled delay line (VCDL) for changing a delay time according to a voltage (hereinafter referred to as a VCDL) 1504, and a bias for supplying a current required for an analog circuit. Generator 1505. Except for each VCDL, the component is the same as the PLL.

도 16은 DLL의 VCDL의 상세도이다. VCDL은 전압을 전류로 변화시키는 전압 전류변환기(VIC)(1600)과 전류 제어 지연 라인(CCDL; current controlled delay line, 이하 CCDL이라 함)(1601)로 구성된다. CCDL은 지연소자(1602)로 구성되어 있는데, PLL의 CCO(도2의 201)와는 달리 링 형태로 연결되지 않고, 입력과 출력이 순환되지 않고 일렬로 연결된다. 전압 전류 변환기(1600)는 도 2의 (200)과 동일하고, 지연 소자(1602)는 도2의 (203)과 동일하다고 하면, 지연 소자의 지연 시간의 온도 및 공정에 대한 보상은 PLL의 CSB와 동일한 보상이 된다.16 is a detailed view of the VCDL of a DLL. The VCDL is composed of a voltage current converter (VIC) 1600 for converting a voltage into a current and a current controlled delay line (CCDL) 1601. The CCDL is composed of a delay element 1602. Unlike the CCO (201 of FIG. 2) of the PLL, the CCDL is not connected in a ring shape, and the input and output are connected in a line without being circulated. If the voltage current converter 1600 is the same as (200) of FIG. 2, and the delay element 1602 is the same as (203) of FIG. 2, the compensation for the temperature and the process of the delay time of the delay element is the CSB of the PLL. The same reward as

따라서, CSB는 DLL에도 동일하게 공정 및 온도 변화에 대한 보상이 가능하고, 고속 I/O 등의 아날로그 회로에도 적용이 가능하다.Therefore, the CSB can be equally compensated for process and temperature changes in the DLL, and can be applied to analog circuits such as high-speed I / O.

본 발명의 공정 및 온도 보상 회로를 이용한 클럭 합성기는 공정과 온도 변화에 대한 주파수 변화 범위가 넓지 않으므로 설계가 쉽고, 전압 제어 발진기의 이득을 필요 이상으로 키우지 않아도 되는 장점이 있으며, 그로 인해 클럭 합성기의 잡음이 줄어드는 효과가 있다. 전류 감산 바이어스는 사용되는 트랜지스터 개수가 50개 미만으로 매우 적은 면적 및 전력으로 구현이 가능하고 기존의 바이어스와 대체 및 이식성이 매우 좋다는 장점이 있다.The clock synthesizer using the process and temperature compensation circuit of the present invention has an advantage that it is easy to design and does not need to increase the gain of the voltage-controlled oscillator more than necessary because the frequency change range for process and temperature change is not wide. Noise is reduced. The current subtractive bias has the advantage that it can be implemented in very small area and power with less than 50 transistors used, and it is very good to replace the existing bias and portability.

또한, 본 발명의 전류 감산 바이어스는 전압 제어 발진기뿐만 아니라 공정 및 온도에 대해 변화하는 특성을 가진 회로들(고속 I/O 회로, 아날로그 회로)의 바이어스로 사용이 가능하고, 공정 변화를 감지하는 회로로 사용이 가능하다는 장점이 있고, 공정 및 온도에 대한 일반적인 트랜지스터 전류에 대해 반전된 특성은 아날로그 회로에서 지속적으로 감지하기 때문에 온도의 변화 등 환경 변화에 연속적인 보상이 가능한 효과가 있다.In addition, the current subtractive bias of the present invention can be used as a bias of circuits (high-speed I / O circuits, analog circuits) that vary in process and temperature as well as voltage controlled oscillators, and circuits for detecting process changes. It can be used as an analogue circuit, and the inverted characteristic of the transistor current with respect to the process and temperature is continuously detected by the analog circuit, thereby making it possible to continuously compensate for environmental changes such as temperature changes.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

본 발명의 공정 및 온도 보상 방법 및 이를 이용한 클럭 합성기는 공정 및 온도에 대한 전류 변화 상태를 연속적으로 체크할 수 있으며, 체크된 전류 상태를 반전하여 원래의 전류에 더해주는 전류 감산 바이어스 및 이를 이용한 클럭 합성기를 제공함으로써 공정 및 온도에 대한 보상이 가능하며, 클럭 발생기를 사용하는 전체 IC의 수율 및 잡음 특성이 향상되는 효과가 있으며, 매우 적은 면적 및 전력으로 구현이 가능하고 종래의 바이어스를 대체 및 이식성이 향상되는 효과가 있다.The process and temperature compensation method of the present invention and the clock synthesizer using the same can continuously check the current change state with respect to the process and temperature, the current subtraction bias added to the original current by inverting the checked current state and the clock synthesizer using the same Compensation for process and temperature can be achieved, and the yield and noise characteristics of the entire IC using a clock generator can be improved.It can be implemented with very small area and power, and it is possible to replace and bias the conventional bias. There is an effect to be improved.

도 1은 종래의 클럭 합성기의 블록도1 is a block diagram of a conventional clock synthesizer

도 2는 종래의 전압 제어 발진기의 구조도2 is a structural diagram of a conventional voltage controlled oscillator

도 3은 종래의 전류 제어 발진기의 구조도3 is a structural diagram of a conventional current controlled oscillator

도 4는 종래의 전압 전류 변환기의 구조도 및 온도와 공정 변화에 따른 전압 전류 변환기 출력 전류에 대한 시뮬레이션 결과4 is a structural diagram of a conventional voltage current converter and simulation results for the voltage current converter output current according to temperature and process changes.

도 5는 본 발명의 공정과 온도 변화를 보상하는 전류 감산 바이어스(CSB)의 개념도5 is a conceptual diagram of a current subtraction bias (CSB) that compensates for process and temperature variations of the present invention.

도 6은 CSB 개념을 구현한 회로의 실시예6 is an embodiment of a circuit implementing the CSB concept.

도 7은 본 발명의 CSB를 전압 전류 변환기에 적용한 실시예7 illustrates an embodiment in which the CSB of the present invention is applied to a voltage current converter.

도 8은 정전압원을 이용한 정전류원의 구조도8 is a structural diagram of a constant current source using a constant voltage source

도 9는 본 발명의 CSB와 CCO를 연결한 VCO를 나타낸 구조도9 is a structural diagram showing a VCO connecting the CSB and CCO of the present invention

도 10은 FB VCO의 전압에 대한 출력 주파수 특성으로 온도와 공정 변화의 결과도10 is a result of temperature and process changes as an output frequency characteristic of a voltage of an FB VCO.

도 11은 고정된 입력 전압(Vin) 상에서 전압 제어 발진기의 주파수를 측정한 결과도11 is a result of measuring the frequency of the voltage controlled oscillator on a fixed input voltage (V in )

도 12는 온도 변화에 따른 VCO의 주파수 특성12 is a frequency characteristic of the VCO with temperature changes

도 13은 본 발명의 CSB를 사용한 VCO를 클럭 합성기에 적용한 블록도13 is a block diagram of applying a VCO using a CSB of the present invention to a clock synthesizer.

도 14는 본 발명을 800MHz 클럭 합성기에 적용하여 이를 위상 고정시켰을 때의 출력 파형14 is an output waveform when the present invention is applied to an 800 MHz clock synthesizer and the phase fixed thereto.

도 15는 지연 라인을 이용한 DLL의 블록도15 is a block diagram of a DLL using a delay line.

도 16은 DLL의 VCDL의 상세도16 is a detail view of the VCDL of the DLL.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

104. 전압 제어 발진기 200. 전압 전류 변환기     104. Voltage controlled oscillator 200. Voltage current transducer

600. 전류 감산기 601. 전류 검출기(센서)     600. Current subtractor 601. Current detector (sensor)

602. 정전류원 903. 전류 제어 발진기     602. Constant Current Source 903. Current Controlled Oscillator

Claims (13)

공정 및 온도 상황에 따라 변화하는 전류를 연속적으로 체크하고 이 때의 변화 전류를 반전시켜 공정 보상에 이용하는 전류 감산 바이어스(CSB) 회로를 적용한 전압 전류 변환기(VIC)로 구성된 전압 제어 발진기(VCO);A voltage controlled oscillator (VCO) consisting of a voltage current converter (VIC) to which a current subtractive bias (CSB) circuit is used to continuously check a current that changes according to a process and a temperature, and reverse the change current at this time and use it for process compensation; 상기 전압 제어 발진기로부터 발생된 클럭 주파수를 N배 분주하는 프로그램 가능한 분주기;A programmable divider for dividing the clock frequency generated by the voltage controlled oscillator N times; 상기 프로그램 가능한 분주기로부터 발생된 분주 클럭 주파수와 레퍼런스 입력 주파수의 위상과 주파수를 비교하는 위상/주파수 검출기;A phase / frequency detector for comparing the phase and frequency of the divided clock frequency generated from the programmable divider with a reference input frequency; 상기 위상/주파수 검출기에서 비교된 주파수 중 분주 클럭 주파수의 크기가 크면 전압 제어 발진기의 입력 전압을 낮추어 클럭 출력 주파수를 낮추고, 반대로 작으면 클럭 출력 주파수를 높이는 동작을 수행하는 루프 필터;A loop filter for lowering the clock output frequency by lowering the input voltage of the voltage controlled oscillator if the frequency of the divided clock frequency among the frequencies compared by the phase / frequency detector is large; 일정한 전류를 공급하는 전하 펌프; 및A charge pump for supplying a constant current; And 아날로그 회로에 필요한 전류를 공급하는 바이어스 생성기Bias Generator Supplying Current Required for Analog Circuits 를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.Clock synthesizer using the process and temperature compensation method characterized in that it comprises a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 회로는 The current subtraction bias (CSB) circuit 일정한 전류를 공급하는 정전압원을 이용한 정전류원;Constant current source using a constant voltage source for supplying a constant current; 온도 및 공정 변화에 따른 검출 전류를 생성하는 전류 검출기 또는 센서; 및A current detector or sensor for generating a detection current according to temperature and process changes; And 정전류원에서 검출 전류의 뺄셈을 수행하는 전류 감산기Current subtractor for subtracting the detected current from a constant current source 를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.Clock synthesizer using the process and temperature compensation method characterized in that it comprises a. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 전압-전류 변환기(VIC)는 The voltage-to-current converter (VIC) 전류 감산 바이어스(CSB) 회로;Current subtraction bias (CSB) circuits; 전압을 전류로 변환하는 선형 전압-전류 변환 블록; 및A linear voltage-current conversion block for converting a voltage into a current; And 상기 전류 감산 바이어스(CSB)의 전류와 상기 선형 전압 전류 바이어스의 전류를 합산하는 전류 합산기A current adder for summing the current of the current subtraction bias (CSB) and the current of the linear voltage current bias; 를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.Clock synthesizer using the process and temperature compensation method characterized in that it comprises a. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 회로 및 상기 선형 전압-전류 변환 블록은 내부의 두 트랜지스터가 매칭 특성을 갖도록 가깝게 배치되어 두 트랜지스터의 문턱 전압을 같게 만드는 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.The current subtraction bias (CSB) circuit and the linear voltage-to-current conversion block are arranged close to each other so that the transistors have a matching characteristic to equalize the threshold voltages of the two transistors, clock synthesizer using a process and temperature compensation method . 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 회로는 전압에 의한 변화는 그대로 두고 공정 및 온도 상황에 따라 전류가 바뀌는 성분만 검출하기 위해 정전압원을 연결한 검출 트랜지스터 구조인 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.The current subtraction bias (CSB) circuit is a detection transistor structure in which a constant voltage source is connected to detect only a component whose current changes according to a process and a temperature while leaving a change due to a voltage as it is. Clock synthesizer. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 정전압원은 전원 전압, 공정 변화 및 온도에 대한 변동 특성이 우수한 밴드갭 레퍼런스 또는 외부 독립전원을 연결한 정전압원인 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.The constant voltage source is a clock synthesizer using a process and temperature compensation method, characterized in that the constant voltage source connected to a bandgap reference or an external independent power source having excellent fluctuation characteristics for power supply voltage, process change and temperature. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 회로는 상기 선형 전압-전류 변환 블록과 트랜지스터 및 저항이 같은 동일한 구조를 사용하는 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.And the current subtraction bias (CSB) circuit uses the same structure of the linear voltage-to-current conversion block, the same transistor and the same resistor. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 선형 전압-전류 변환 블록은The linear voltage-current conversion block 전류 거울;Current mirrors; 트랜지스터; 및transistor; And 저항resistance 을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.Clock synthesizer using the process and temperature compensation method, characterized in that configured to include. 제 2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 정전류원은 The constant current source is 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환 블록; 및A voltage-current conversion block for converting a voltage into a current; And 상기 전압-전류 변환 블록을 통해 변환된 전류를 이용하여 특정 전류 값의 정전류원으로 만드는 전류 거울 블록A current mirror block that makes a constant current source of a specific current value by using the current converted by the voltage-current conversion block. 을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.Clock synthesizer using the process and temperature compensation method, characterized in that configured to include. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전압 제어 발진기(VCO)는 저항의 온도에 따른 온도 변화를 보상하기 위해 온도에 비례하는 PTAT 회로를 이용하여 정전압원의 온도 계수를 조절하는 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.The voltage controlled oscillator (VCO) is a clock synthesizer using a process and temperature compensation method, characterized in that for adjusting the temperature coefficient of the constant voltage source using a PTAT circuit proportional to the temperature in order to compensate for the temperature change according to the temperature of the resistance. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 회로는 지연 라인을 이용한 DLL의 공정 및 온도 변화에 대한 보상 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성기.The current subtraction bias (CSB) circuit is a clock synthesizer using a process and temperature compensation method, characterized in that for performing a compensation function for the process and temperature changes of the DLL using the delay line. 공정 및 온도 상황에 따라 변화하는 전류를 연속적으로 체크하고 이 때의 변화 전류를 반전시켜 공정 보상에 이용하는 전류 감산 바이어스(CSB) 단계;A current subtraction bias (CSB) step of continuously checking the current that changes according to the process and temperature conditions and inverting the change current at this time to use for process compensation; 상기 전류 감산 바이어스 단계를 적용하여 클럭 출력을 발생시키는 전압 제어 발진기 단계;A voltage controlled oscillator step of applying a current subtraction bias step to generate a clock output; 상기 전압 제어 발진기 단계로부터 발생된 클럭 주파수를 N배 분주하는 주파수 분주 단계;A frequency division step of dividing the clock frequency generated from the voltage controlled oscillator step by N times; 상기 주파수 분주 단계로부터 발생된 분주 클럭 주파수와 레퍼런스 입력 주파수의 위상과 주파수를 비교하는 위상/주파수 검출 단계;A phase / frequency detection step of comparing a phase and a frequency of the divided clock frequency generated from the frequency division step with a reference input frequency; 상기 위상/주파수 검출 단계에서 비교된 주파수 중 분주 클럭 주파수의 크기가 크면 전압 제어 발진 단계에서 입력 전압을 낮추어 클럭 출력 주파수를 낮추고, 반대로 작으면 클럭 출력 주파수를 높이는 동작을 수행하는 루프 필터 단계;A loop filter step of lowering the clock output frequency by lowering the input voltage in the voltage controlled oscillation step and increasing the clock output frequency when the frequency is small in the voltage controlled oscillation step if the frequency of the divided clock frequency is large among the frequencies compared in the phase / frequency detection step; 일정한 전류를 공급하는 전하 펌프 단계; 및A charge pump step of supplying a constant current; And 아날로그 회로에 필요한 전류를 공급하는 바이어스 생성 단계Bias Generation Step to Supply Current for Analog Circuit 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성 방법.Clock synthesis method using a process and temperature compensation method characterized in that comprises a. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 전류 감산 바이어스(CSB) 단계는 공정 및 온도 상황에 따라 변화하는 전류를 연속적으로 체크하고 검출하는 전류 검출 단계;The current subtraction bias (CSB) step may include: a current detection step of continuously checking and detecting a current that changes according to a process and a temperature situation; 일정한 전류를 공급하는 정전류원에서 상기 검출된 전류를 반전시키는 전류 감산 단계; 및A current subtraction step of inverting the detected current in a constant current source supplying a constant current; And 상기 전류 감산 단계를 통해 얻어진 반전된 특성의 전류를 공정 및 온도 보상에 이용하는 단계Using the current of the inverted characteristic obtained through the current subtraction step for process and temperature compensation 를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 공정 및 온도 보상 방법을 이용한 클럭 합성 방법.Clock synthesis method using a process and temperature compensation method characterized in that comprises a.
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