KR102396398B1 - Digital Low Dropout Voltage Regulator using Single-VCO based Edge-Racing Time Quantizer - Google Patents

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Abstract

단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 및 그 동작 방법이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터는 짝수개의 복수의 지연 셀을 포함하고, 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 SVER TQ(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer), SVER TQ로부터 입력 받은 레이싱 결과 정보에 따라 코어스 스위칭(coarse switching) 및 파인 스위칭(fine switching)을 제어하기 위한 값을 출력하는 MP-제어 로직, MP-제어 로직의 제어 값에 따라 코어스 스위칭을 수행하는 복수의 단항 어레이(unary array) 및 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 파인 스위칭을 수행하는 복수의 이진 어레이(binary array)를 포함한다.A digital low-dropout voltage regulator using a single VCO-based edge lacing time quantizer and a method of operation thereof are presented. The digital low-dropout voltage regulator using a single VCO-based edge lacing time quantizer proposed in the present invention includes an even number of a plurality of delay cells, of which half of the delay cells are controlled by a reference voltage, and the other half The delay cell of the SVER TQ (Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer) is controlled by the output voltage and outputs racing result information by comparing the reference voltage and the output voltage. M P -control logic outputting a value for controlling coarse switching and fine switching, M P - a plurality of unary arrays performing coarse switching according to a control value of the control logic and MP -a plurality of binary arrays performing fine switching according to the control value of the control logic.

Figure R1020210001364
Figure R1020210001364

Description

단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터{Digital Low Dropout Voltage Regulator using Single-VCO based Edge-Racing Time Quantizer}Digital Low Dropout Voltage Regulator using Single-VCO based Edge-Racing Time Quantizer

본 발명은 전압 레귤레이터(voltage regulator) 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 로우-드롭아웃(Low Dropout; LDO) 특성을 지니는 전압 레귤레이터에 관한 것이다.The present invention relates to the field of voltage regulators, and more particularly, to a voltage regulator having a digital low-dropout (LDO) characteristic.

근래의 시스템 온 칩(System on chip; SoC)들은 입력 전압이 0.5V까지 감소하는 경우에도 높은 에너지 효율을 보이고 동작을 안정적으로 할 필요가 있다. 디지털 LDO 전압 레귤레이터는 이러한 근래의 SoC용으로 많이 적용되고 있다. Recent system on chip (SoC) needs to show high energy efficiency and to operate stably even when the input voltage is reduced to 0.5V. Digital LDO voltage regulators are widely used for these modern SoCs.

디지털 LDO 전압 레귤레이터를 설계함에 있어서, 출력 전압에 포함된 오류는 출력전압의 과도 응답과 정상상태에서의 정확도를 결정하기 때문에 이러한 오류를 양자화하는 방법을 결정하는 것이 매우 중요하다. 전압 양자화기(Voltage Quantizer)는 빠른 교정 속도 및 정확도 등과 같은 전체적인 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 과도 응답을 향상시키기 위해서 전압 비교기가 많이 쓰인다. 예를 들어, 1비트 전압 비교기가 전압 양자화기로서 널리 사용된다. 1비트 전압 비교기는 교정 속도를 개선하기 위해 높은 샘플링 주파수의 클럭신호를 필요로 하므로, 이로 인해 전력 소비량을 크게 증가시키는 단점이 있다.In designing a digital LDO voltage regulator, it is very important to determine how to quantize the error because the error included in the output voltage determines the transient response of the output voltage and the accuracy in steady state. Voltage quantizers play an important role in determining overall performance, such as fast calibration speed and accuracy. Voltage comparators are often used to improve transient response. For example, 1-bit voltage comparators are widely used as voltage quantizers. Since the 1-bit voltage comparator requires a clock signal with a high sampling frequency to improve the calibration speed, there is a disadvantage in that power consumption is greatly increased.

이 문제를 해결하기 위해 이진-가중 패스-트랜지스터(binary-weighted passtransistors)를 사용하는 이진 검색 엔진(binary search engine)을 채용하여 안정화 시간을 줄일 수도 있다. 그러나 부하 전류의 변화가 임계값을 조금만 벗어나더라도 이진 검색 엔진이 최상위 비트(MSB)에서 다시 시작해야 한다. 이 점 때문에 이진 검색 엔진을 채용한 디지털 전압 레귤레이터는 교정 중에 발생하는 전압 스파이크가 크다.To solve this problem, a settling time may be reduced by employing a binary search engine using binary-weighted passtransistors. However, even if the change in load current slightly deviates from the threshold, the binary search engine must restart at the most significant bit (MSB). Because of this, digital voltage regulators employing binary search engines have large voltage spikes during calibration.

또 다른 예로서, 출력전압의 에러에 관한 다중 비트 정보를 제공함으로써 과도 응답을 신속하게 처리하기 위해, 다중 비트 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 전압 양자화기로서 사용될 수 있다. ADC 기반 LDO 전압 레귤레이터는 출력 전압의 변화가 발생할 때만 출력 전압을 다중 비트 코드로 양자화 한다. 그렇기 때문에 정상 상태(steady state)에서 전력 소비를 최소화하면서 빠른 교정 속도를 가질 수 있다.As another example, a multi-bit analog-to-digital converter (ADC) can be used as a voltage quantizer to expedite transient response by providing multi-bit information about the error in the output voltage. ADC-based LDO voltage regulators quantize the output voltage into a multi-bit code only when a change in the output voltage occurs. Therefore, it is possible to have a fast calibration speed while minimizing power consumption in a steady state.

하지만, 출력전압 교정의 높은 정확도를 달성하기 위해서는 많은 수의 비트가 필요하므로, 전력 및 설계 복잡도가 증가하게 된다. 또한, 두 전압 양자화기는 모두 공급 전압의 레벨에 따라 성능이 의존도가 높으므로, 낮은 공급전압에서는 신뢰성 있는 동작을 수행하기가 어렵다. 따라서 기존의 전압 양자화기로는 낮은 공급 전압에서 빠른 교정 속도와 높은 교정 정확도를 낮은 전력과 낮은 설계 복잡도로 구현하는 것에 한계가 있다.However, since a large number of bits are required to achieve high accuracy of output voltage calibration, power and design complexity are increased. In addition, since performance of both voltage quantizers is highly dependent on the level of the supply voltage, it is difficult to reliably operate at a low supply voltage. Therefore, there is a limit to realizing fast calibration speed and high calibration accuracy with low power and low design complexity at a low supply voltage with the existing voltage quantizer.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 클럭신호의 샘플링 주파수를 동적으로 가변시켜 LDO가 전력을 소모하면서 대기상태에서 출력전압의 오류를 빠르고 정확하게 교정하도록 해주어 낮은 공급전압에서도 안정적인 성능을 보장할 수 있는 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터를 제공하는데 있다. 또한, 출력 전압과 기준 전압의 차이에 따라 샘플링 주파수를 가변하여 저 전력으로 신속한 전압 비교를 할 수 있고, 동일한 VCO를 입출력 전압의 비교에 공유 사용함으로써 반도체 소자들 간의 거리 차이에 따른 물리적 로컬 불일치(local mismatch)를 최소화하여 정확도를 높일 수 있는 디지털 LDO 레귤레이터를 제공하고자 한다.The technical task of the present invention is to dynamically change the sampling frequency of a clock signal so that the LDO consumes power and quickly and accurately corrects the output voltage error in the standby state, thereby ensuring stable performance even at a low supply voltage. To provide a digital low-dropout voltage regulator using an edge-lacing time quantizer. In addition, by varying the sampling frequency according to the difference between the output voltage and the reference voltage, it is possible to quickly compare voltages with low power, and by sharing and using the same VCO for comparison of input and output voltages, physical local discrepancies ( To provide a digital LDO regulator that can improve accuracy by minimizing local mismatch).

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터는 짝수개의 복수의 지연 셀을 포함하고, 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 SVER TQ(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer), SVER TQ로부터 입력 받은 레이싱 결과 정보에 따라 코어스 스위칭(coarse switching) 및 파인 스위칭(fine switching)을 제어하기 위한 값을 출력하는 MP-제어 로직, MP-제어 로직의 제어 값에 따라 코어스 스위칭을 수행하는 복수의 단항 어레이(unary array) 및 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 파인 스위칭을 수행하는 복수의 이진 어레이(binary array)를 포함한다. In one aspect, the digital low-dropout voltage regulator using a single VCO-based edge lacing time quantizer proposed in the present invention includes an even number of a plurality of delay cells, and half of the delay cells among the plurality of delay cells are controlled by a reference voltage. Controlled, the other half of the delay cells are controlled by the output voltage, and the SVER TQ (Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer) that compares the reference voltage and the output voltage and outputs the racing result information received input from SVER TQ M P -control logic that outputs a value for controlling coarse switching and fine switching according to the racing result information, M P - a plurality of unarys that perform coarse switching according to the control value of the control logic It includes an array (unary array) and a plurality of binary arrays that perform fine switching according to a control value of MP -control logic.

SVER TQ는 각각의 지연 셀이 두 개의 인버터 와 세 개의 스위치를 포함하고, 세 개의 스위치는 레이싱 상태에 따라 RC(Racing Controller)에 의해 제어되며, 지연 셀 간의 로컬 불일치(local mismatch)를 감소시키기 위해 기준 에지 및 출력 에지가 모든 지연 셀을 균등하게 통과하도록 각각의 지연 셀과 기준 전압 및 출력전압의 연결은 기준 에지 및 출력 에지를 따라 회전한다. 본 발명의 실시예에 따른 기준 에지는 기준 전압으로 제어되는 에지를 의미하고, 출력 에지는 출력 전압으로 제어되는 에지를 의미한다. In SVER TQ, each delay cell contains two inverters and three switches, and the three switches are controlled by RC (Racing Controller) according to the racing state, to reduce local mismatch between delay cells. The connection of each delay cell and the reference voltage and the output voltage rotates along the reference edge and the output edge so that the reference edge and the output edge pass through all delay cells equally. A reference edge according to an embodiment of the present invention means an edge controlled by a reference voltage, and an output edge means an edge controlled by an output voltage.

SVER TQ는 모든 지연 셀이 접지(GND)로 초기화되는 제1 레이싱 상태, 기준 에지 및 출력 에지가 복수의 지연 셀 중 마주 보는 두 개의 출력 노드에 인가되는 제2 레이싱 상태, 기준 에지 및 출력 에지가 각각 기준 전압 및 출력 전압에 의해 결정되는 서로 다른 속도로 지연 셀을 통해 이동하는 제3 레이싱 상태 및 두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태를 포함하는 네 가지 상태로 동작하고, 최종 레이싱 상태 이후 레이싱 상태는 다시 제1 레이싱 상태로 돌아가고 다음 레이스는 이전 레이스가 끝난 노드에서 시작하여 모든 지연 셀의 지연을 정규화한다. SVER TQ has a first lacing state in which all delay cells are initialized to ground (GND), a second lacing state in which a reference edge and an output edge are applied to two opposing output nodes among a plurality of delay cells, a reference edge and an output edge. A third racing state moving through the delay cell at different rates determined by the reference voltage and the output voltage, respectively, and the distance between the two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the current race ends It operates with four states including the final racing state, and after the final racing state, the racing state returns to the first racing state, and the next race normalizes the delay of all delay cells, starting from the node where the previous race ended.

두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태는 더 빠른 에지를 감지함으로써 현재 출력 전압이 기준 전압보다 큰지 또는 작은지 판단한다. 판단 결과를 이용하여 출력 전압의 오류를 조정하기 위해 출력 전압과 기준 전압의 차이가 클수록 샘플링 주파수가 자동적으로 증가하고, 두 에지 사이 거리를 지연 셀 개수 단위로 감지하여 최대 샘플링 주파수는 하기 식에 따라 결정되고, When the distance between two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the final racing state where the current race ends is determined whether the current output voltage is greater or less than the reference voltage by detecting the earlier edge. In order to adjust the error of the output voltage using the judgment result, the sampling frequency automatically increases as the difference between the output voltage and the reference voltage increases. is decided,

fSP|MAX = N/2·Max (fREF, fOUT)f SP|MAX = N/2 Max (f REF , f OUT )

여기서, fSP|MAX는 최대 샘플링 주파수, Max(fREF, fOUT)는 두 에지 중 빠른 에지의 이동 주파수, N은 지연 셀의 개수를 나타낸다. Here, f SP|MAX is the maximum sampling frequency, Max(f REF , f OUT ) is the moving frequency of the earliest edge among the two edges, and N is the number of delay cells.

RC(Racing Controller)는 두 에지의 위치에 따라 지연 셀 연결을 위한 스위치, VDD로 풀업을 위한 스위치 및 GND로 풀다운을 위한 스위치를 제어하고, 기준 전압 및 출력 전압에 대한 지연 셀의 연결이 기준 에지 및 출력 에지와 함께 각각 회전하도록 두 인버터의 제어 전압 스위치를 제어하고, 기준 에지 및 출력 에지가 마주 보는 지연 셀 입력의 논리 레벨을 확인하여 현재 레이싱을 완료할지 아니면 계속 진행할지 여부를 결정하도록 제어한다. RC (Racing Controller) controls the switch for delay cell connection, the switch for pull-up to VDD, and the switch for pull-down to GND according to the position of the two edges, and the connection of the delay cell to the reference voltage and the output voltage is the reference edge and control the control voltage switches of both inverters to rotate with the output edge, respectively, to determine whether to complete or continue the current race by checking the logic level of the delay cell input where the reference edge and the output edge are opposite. .

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기를 사용하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법은 짝수개의 복수의 지연 셀을 포함하는 SVER TQ(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer)를 통해 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 단계, MP-제어 로직을 통해 SVER TQ로부터 입력 받은 레이싱 결과 정보에 따라 코어스 스위칭(coarse switching) 및 파인 스위칭(fine switching)을 제어하기 위한 값을 출력하는 단계, 복수의 단항 어레이(unary array)가 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 코어스 스위칭을 수행하는 단계 및 복수의 이진 어레이(binary array)가 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 파인 스위칭을 수행하는 단계를 포함한다.In another aspect, the method of operating a digital low voltage drop voltage regulator using a single VCO-based edge racing time quantizer proposed in the present invention is SVER TQ (Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing) including an even number of a plurality of delay cells. Time quantizer), half of the delay cells of the plurality of delay cells are controlled by the reference voltage, the other half of the delay cells are controlled by the output voltage, and outputting racing result information by comparing the reference voltage and the output voltage. , MP - Outputting values for controlling coarse switching and fine switching according to the racing result information input from SVER TQ through the control logic, a plurality of unary arrays MP - performing coarse switching according to the control value of the control logic and performing fine switching by a plurality of binary arrays according to the control value of the MP -control logic.

본 발명의 실시예들에 따른 SVER 시간 양자화기는 샘플링 주파수를 생성하기 위해 두 전압을 비교하는 것이 아닌 단 하나의 VCO만을 사용하기 때문에, 반도체 소자들 간의 거리에 따른 물리적 로컬 불일치(local mismatch)를 완전히 제거할 수 있어 출력전압의 교정 정확도를 향상시킬 수 있고, 주파수 풀링(pulling)에 대해서도 디지털 LDO 전압 레귤레이터의 출력전압 교정의 정확도가 견고하게 유지될 수 있다. 또한, 제안하는 VCO는 낮은 공급 전압에서 안정적인 동작을 하므로, 기존 구조에서 발생하는 동작 불안정성을 방지할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 LDO 전압 레귤레이터의 경우 출력 전압의 오류와 교정 속도가 비례하므로, 전력을 크게 소모하지 않더라도 교정 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, SVER은 하나의 지연-셀 차이를 구별할 수 있으므로, 최대 샘플링 주파수 값은 기준전압의 기준주파수의 N/2배(단, N은 VCO의 지연-셀의 개수임)보다 클 수 있다. Since the SVER time quantizer according to embodiments of the present invention uses only one VCO rather than comparing two voltages to generate a sampling frequency, a physical local mismatch according to the distance between semiconductor devices is completely eliminated. can be removed, so that the calibration accuracy of the output voltage can be improved, and the accuracy of the output voltage calibration of the digital LDO voltage regulator can be firmly maintained even for frequency pulling. In addition, since the proposed VCO operates stably at a low supply voltage, it is possible to prevent operation instability occurring in the existing structure. In the case of the LDO voltage regulator according to the embodiment of the present invention, since the error of the output voltage and the calibration speed are proportional, the calibration speed can be increased without consuming much power. In addition, since the SVER can distinguish one delay-cell difference, the maximum sampling frequency value may be greater than N/2 times the reference frequency of the reference voltage (where N is the number of delay-cells of the VCO).

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기(SVER TQ)를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO의 스위치를 갖는 지연 셀을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER TQ를 사용하여 제안된 디지털 LDO의 전체 아키텍처를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC의 3가지 기능의 구현을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER TQ와 종래기술의 TQ에서 VCO의 지연 셀을 비교하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션과 식(1)의 Min[VDIFF]를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 과도 응답을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 부하 조정과 라인 조정을 각각 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a single VCO-based edge lacing time quantizer (SVER TQ) according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a delay cell having a switch of a VCO according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining the operation of the SVER according to an embodiment of the present invention.
4 shows the overall architecture of the proposed digital LDO using SVER TQ according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the implementation of three functions of RC according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram for comparing the delay cell of the VCO in the SVER TQ according to an embodiment of the present invention and the TQ of the prior art.
7 is a diagram illustrating a simulation according to an embodiment of the present invention and Min[VDIFF] of Equation (1).
8 is a diagram illustrating a transient response measured according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating measured load adjustment and line adjustment, respectively, according to an embodiment of the present invention.

단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer; SVER TQ)를 사용하는 디지털 로우 드롭 아웃(Low-Dropout; LDO) 전압 레귤레이터는 빠른 과도 응답과 출력 전압의 높은 정확도를 달성하도록 설계되었다. SVER TQ에서 생성된 샘플링 주파수는 출력 전압에서의 오류 크기에 따라 동적으로 스케일링되므로, 정상 상태에서 전력 소비를 증가시키지 않고도 과도 응답을 개선 할 수 있다. SVER TQ의 경우, 두 개의 인가된 에지가 단일 VCO의 모든 지연 셀을 동일하게 통과하므로, 지연 셀 간의 불일치로 인해 조절의 정확도가 저하되지 않는다. 제안된 디지털 LDO는 65nm CMOS 공정으로 제작되었으며 0.0488mm2의 실리콘 면적을 차지한다. 측정에 있어서, 제안하는 디지털 LDO는 0.5V 전원에서 0.29ps 과도 FOM 및 2mV 미만의 정확도를 달성한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Digital Low-Dropout (LDO) voltage regulators using a Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer (SVER TQ) provide fast transient response and high accuracy of the output voltage. designed to achieve The sampling frequency generated by the SVER TQ is dynamically scaled according to the magnitude of the error in the output voltage, thus improving transient response without increasing power consumption in steady state. In the case of SVER TQ, the two applied edges pass through all delay cells of a single VCO equally, so that mismatch between delay cells does not degrade the accuracy of regulation. The proposed digital LDO is fabricated in 65nm CMOS process and occupies a silicon area of 0.0488mm 2 . In measurement, the proposed digital LDO achieves 0.29ps transient FOM and less than 2mV accuracy from a 0.5V supply. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

최신 모바일 SoC(Systems on Chips)에서 LDO(low-dropout) 레귤레이터는 각 빌딩 구성 요소에 최적 레벨의 공급 전압을 제공하는 데 필수적이다. 기존의 아날로그 LDO와 달리, 디지털 LDO는 VIN 값이 낮을 때보다 안정적인 작동을 제공할 수 있다[1]-[11]. 이러한 디지털 LDO의 경우 전압 양자화기(Voltage Quantizers; VQ)는 과도 응답 및 조정의 정확성과 같은 전체 성능을 결정하는 중요한 역할을 한다. 1-비트 전압 비교기(Voltage Comparators; VC)가 널리 사용되지만[1]-[5], 과도 응답을 개선하려면 샘플링 주파수 fSP를 높여야 전력 소비가 크게 증가한다[1]-[3]. 이러한 문제를 해결하기 위해 [4], [5]는 이진 검색 엔진(Binary Search Engines; BSE)을 제안한다. 그러나 BSE는 MSB에서 다시 시작해야 하므로 부하 전류 IL의 변화가 임계 값을 약간 초과하더라도 이러한 디지털 LDO에는 큰 전압 스파이크가 있다. [6]-[8]의 LDO는 다중 비트 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital converters; ADC)와 함께 이벤트 구동 방식을 사용한다. ADC는 VOUT이 변경될 때만 출력 전압 VOUT을 다중 비트 코드로 양자화하므로 안정 상태에서 전력 소비를 최소화하면서 빠른 과도 응답을 가질 수 있다. 하지만, VOUT의 높은 정확도를 달성하려면 많은 수의 ADC 비트가 필요하므로 정확도와 전력/설계의 복잡성간에 또 다른 절충안이 발생한다. In modern mobile systems on chips (SoCs), low-dropout (LDO) regulators are essential to provide optimal levels of supply voltages to each building component. Unlike conventional analog LDOs, digital LDOs can provide more stable operation when the V IN value is low [1]-[11]. For these digital LDOs, voltage quantizers (VQ) play an important role in determining overall performance, such as transient response and accuracy of regulation. Although 1-bit voltage comparators (VC) are widely used [1]-[5], it is necessary to increase the sampling frequency f SP to improve the transient response, which greatly increases the power consumption [1]-[3]. To solve this problem, [4] and [5] propose Binary Search Engines (BSE). However, since the BSE has to restart at the MSB, these digital LDOs have large voltage spikes even if the change in load current I L slightly exceeds the threshold. The LDOs in [6]-[8] use an event-driven method with multi-bit analog-to-digital converters (ADC). The ADC quantizes the output voltage V OUT into a multi-bit code only when V OUT changes, allowing fast transient response while minimizing power consumption at steady state. However, high accuracy of V OUT requires a large number of ADC bits, which creates another trade-off between accuracy and power/design complexity.

VQ와 관련된 문제를 해결하기 위해 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator; VCO) 기반 시간 양자화기(Time Quantizers; TQ)가 [9] 및 [10]에 제시되었다. VCO의 주파수는 VOUT의 크기에 따라 조정되기 때문에 적응형 샘플링의 고유한 이점이 제공되며 이는 자연스럽게 과도 응답과 전력 소비 간의 트레이드 오프를 제거한다. 또 다른 이점은 VOUT의 오류가 시간 영역에서 증폭되기 때문에 VCO의 사이클 수(NCYCLE)가 증가함에 따라 VOUT의 정확성이 향상될 수 있다는 것이다. 위에서 확인된 분명한 이점에도 불구하고 이전 VCO 기반 TQ에는 여전히 심각한 문제가 있다. [9]의 TQ는 기준 전압, VREF 및 VOUT에 의해 제어되는 2 개의 복제 VCO의 비트 주파수를 사용한다. 하지만, 로컬 불일치로 인해 두 VCO의 주파수 간의 불가피한 차이는 전압 조정의 정확도를 제한한다. 또한 비트 주파수를 사용하여 [9]에서 TQ의 최대 fSP는 fREF/2로 제한되었으며 극성 정보를 사용할 수 없다. 또 다른 VCO 기반 TQ는 LDO 용은 아니지만 [10]에 제시되었다. 이러한 TQ에는 단일 VCO에서 서로 다른 전압 VREF 및 VOUT에 의해 제어되는 두 개의 상승 에지, 즉 EDREF 및 EDOUT이 있다. 이 두 에지는 서로 다른 속도로 이동하기 때문에 만나야 하며 결국 출력에서 펄스가 감소된다. TQ는 단일 VCO를 사용하지만 로컬 불일치로 인해 양자화의 정확도가 여전히 제한된다. 이는 제어 전압에 대한 지연 셀의 연결이 고정되어 있기 때문에(즉, 홀수 인버터는 VREF에, 짝수 인버터는 VOUT에 연결) EDREF의 상승 에지는 홀수 인버터만 통과하고 EDOUT의 상승 에지는 짝수 인버터만 통과한다. 또한 결정은 펄스가 감소될 때까지 지연되어야 하므로 최대 fSP는 Max(fREF, fOUT)로 제한된다. To solve the problem related to VQ, Voltage Controlled Oscillator (VCO)-based Time Quantizers (TQ) are presented in [9] and [10]. Because the frequency of the VCO is adjusted according to the magnitude of V OUT , the inherent benefits of adaptive sampling are provided, which naturally eliminates the trade-off between transient response and power consumption. Another advantage is that the accuracy of V OUT can be improved as the number of cycles of the VCO (N CYCLE ) increases because the error of V OUT is amplified in the time domain. Despite the obvious benefits identified above, the old VCO-based TQ still has serious problems. TQ in [9] uses the bit frequency of two duplicate VCOs controlled by the reference voltage, V REF and V OUT . However, the unavoidable difference between the frequencies of the two VCOs due to local mismatch limits the accuracy of voltage regulation. Also, using the bit frequency, the maximum f SP of TQ in [9] was limited to f REF /2, and no polarity information was available. Another VCO-based TQ is not for LDO, but is presented in [10]. This TQ has two rising edges, ED REF and ED OUT , controlled by different voltages V REF and V OUT on a single VCO. These two edges must meet because they are traveling at different speeds, resulting in a reduced pulse at the output. TQ uses a single VCO, but the accuracy of quantization is still limited due to local mismatch. This is because the delay cell's connection to the control voltage is fixed (i.e. odd inverters are connected to V REF and even inverters are connected to V OUT ), so the rising edge of ED REF only passes through the odd inverter and the rising edge of ED OUT is even Only the inverter passes through. Also, the maximum f SP is limited by Max(f REF , f OUT ) since the decision must be delayed until the pulse is reduced.

본 발명에서는 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기(SVER TQ)를 제안하며, 이는 fSP를 동적으로 확장하여 디지털 LDO가 적은 양의 전력만 소비하면서 빠른 과도 상태를 달성할 수 있도록 한다[11].In the present invention, we propose a single VCO-based edge lacing time quantizer (SVER TQ), which dynamically expands f SP so that the digital LDO can achieve fast transients while consuming only a small amount of power [11].

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 VCO 기반 에지 레이싱 시간 양자화기(SVER TQ)를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a single VCO-based edge lacing time quantizer (SVER TQ) according to an embodiment of the present invention.

도 1의 개념도에서 볼 수 있듯이 지연 셀의 절반(110)은 VREF에 연결되고 지연 셀의 다른 절반(120)은 VOUT에 연결되며 지연 셀과 VREF 및 VOUT의 연결은 각각 EDREF 및 EDOUT을 따라 회전한다. 따라서, EDREF 및 EDOUT은 VCO의 모든 지연 셀을 균등하게 통과하므로 지연 셀 간의 로컬 불일치에도 불구하고 SVER TQ가 높은 정확도를 달성할 수 있다. EDREF와 EDOUT 사이의 거리가 둘 이상의 지연 셀까지 줄어들면, 레이싱이 종료되고 레이싱 컨트롤러(Racing Controller; RC)는 클럭 신호의 새로운 상승 에지를 생성한다. 따라서 최대 샘플링 주파수 fSP는 N/2·Max (fREF, fOUT)에 도달하고, 여기서 N은 VCO의 지연 셀 수이다. SVER는 또한 추가 회로없이 극성 및 전압 오류 크기와 같은 더 많은 정보를 제공할 수 있다. As can be seen in the conceptual diagram of FIG. 1 , one half of the delay cell 110 is connected to V REF and the other half 120 of the delay cell is connected to V OUT , and the connections between the delay cell and V REF and V OUT are respectively ED REF and V OUT . It rotates along ED OUT . Therefore, ED REF and ED OUT pass through all delay cells of the VCO equally, so that SVER TQ can achieve high accuracy despite local mismatch between delay cells. When the distance between ED REF and ED OUT is reduced by two or more delay cells, the racing ends and the Racing Controller (RC) generates a new rising edge of the clock signal. Thus, the maximum sampling frequency f SP reaches N/2·Max (f REF , f OUT ), where N is the number of delay cells in the VCO. SVER can also provide more information such as polarity and voltage error magnitude without additional circuitry.

본 발명의 실시예에 따른 기준 에지(EDREF)는 기준 전압(VREF)으로 제어되는 에지를 의미하고, 출력 에지(EDOUT)는 출력 전압(VOUT)으로 제어되는 에지를 의미한다.The reference edge ED REF according to an embodiment of the present invention means an edge controlled by the reference voltage V REF , and the output edge ED OUT means an edge controlled by the output voltage V OUT .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 VCO의 스위치를 갖는 지연 셀을 나타내는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a delay cell having a switch of a VCO according to an embodiment of the present invention.

제안된 SVER TQ의 VCO는 도 2와 같이 각각 두 개의 인버터(211, 212)와 스위치들(SWSE<k>, SWPU<k> 및 SWPD<k>)로 구성된 12단 지연 셀로 구성된다. k 번째 지연 셀(0 ≤ k ≤ 11)에 있는 두 인버터의 제어 전압 VC<k>는 SWVC<k>를 통해 VREF 또는 VOUT에 연결할 수 있다. k 번째 지연 셀의 출력은 레이싱 상태에 따라 RC에 의해 제어되는 3 개의 스위치, 즉 다음 지연 셀 연결을 위한 SWSE<k>, VDD로 풀업을위한 SWPU<k>, GND로 풀다운을 위한 SWPD<k>를 갖는다. The proposed VCO of SVER TQ consists of 12 delay cells composed of two inverters 211 and 212 and switches SW SE <k>, SW PU <k> and SW PD <k>, respectively, as shown in FIG. 2 . . The control voltage V C <k> of the two inverters in the k-th delay cell (0 ≤ k ≤ 11) can be connected to either V REF or V OUT via SW VC <k>. The output of the k-th delay cell has three switches controlled by RC depending on the racing state: SW SE <k> for connecting the next delay cell, SW PU <k> for pull-up to VDD, SW for pull-down to GND have PD <k>.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining the operation of the SVER according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER TQ의 4 단계 동작을 보여준다. 3 shows a four-step operation of SVER TQ according to an embodiment of the present invention.

제1 레이싱 상태(310)는 INIT로, 지연 셀의 모든 출력 노드는 모든 SWSE<k>와 모든 SWPD<k>를 켜서 GND로 초기화된다. The first racing state 310 is INIT, and all output nodes of the delay cell are initialized to GND by turning on all SW SE <k> and all SW PD <k>.

이후, 제2 레이싱 상태(320)인 R-START에서, EDOUT 및 EDREF의 두 에지는 지연 셀의 마주 보는 출력 노드에 인가된다. 도 2의 경우, 인가 노드가 D<0> 및 D<6>이고 SWPU<0> 및 SWPU<6>가 일시적으로 닫혀서 각각 EDOUT 및 EDREF를 인가한다. 이 상태에서 각 인가 노드 이전의 3 개의 지연 셀과 이후의 3 개의 지연 셀이 VOUT 또는 VREF의 해당 제어 전압에 연결된다. 또한 에지의 이동을 방해하지 않도록 SWSE<5> 및 SWSE<11>이 열려 있고 SWPU<5> 및 SWPU<11>이 닫히고 SWPD<0>, SWPD<1>, SWPD< 6> 및 SWPD<7>이 열려 있다. Then, in the second racing state 320, R-START, the two edges of ED OUT and ED REF are applied to opposite output nodes of the delay cell. In the case of FIG. 2 , the application nodes are D<0> and D<6>, and SW PU <0> and SW PU <6> are temporarily closed to apply ED OUT and ED REF , respectively. In this state, the three delay cells before and three delay cells after each application node are connected to the corresponding control voltage of V OUT or V REF . Also, SW SE <5> and SW SE <11> are open, SW PU <5> and SW PU <11> are closed, and SW PD <0>, SW PD <1>, SW PD <6> and SW PD <7> are open.

제3 레이싱 상태(330) RACING에서, EDOUT 및 EDREF는 각각 VOUT 및 VREF에 의해 결정되는 서로 다른 속도로 지연 셀을 통해 이동한다. 레이싱 중에 SWVC<k>는 EDOUT 또는 EDREF가 도착하기 전에 해당 제어 전압, 즉 VREF 또는 VOUT로 동적으로 계속 스위칭한다. 레이싱이 진행됨에 따라 VOUT과 VREF의 차이로 인해 두 에지 사이의 거리가 가까워진다. In the third racing state 330 RACING, ED OUT and ED REF travel through the delay cell at different rates determined by V OUT and V REF , respectively. During racing, SW VC <k> continues to dynamically switch to the corresponding control voltage, V REF or V OUT , before either ED OUT or ED REF arrives. As the racing progresses, the distance between the two edges gets closer due to the difference between V OUT and V REF .

거리가 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 크게 감소하면(모든 출력 노드 D<0> 내지 D<11>의 레벨이 RC에 의해 지속적으로 모니터링 됨), 현재 레이스가 중지되고 레이싱 상태가 최종 레이싱 상태(340) R-STOP이 된다. RC(Racing Controller)는 세 가지 유형의 정보를 생성한다. 1) CKSP의 새로운 상승 에지; 2) 더 빠른 에지(faster edge)에 의해 통과되는 지연 셀의 수 NTD; 및 3) 극성 정보 P. When the distance decreases by more than one delay cell from the initial value (the levels of all output nodes D<0> to D<11> are continuously monitored by the RC), the current race is stopped and the racing state returns to the final racing state ( 340) becomes R-STOP. The RC (Racing Controller) generates three types of information. 1) new rising edge of CK SP ; 2) the number of delay cells passed by the faster edge N TD ; and 3) polarity information P.

이후, 레이싱 상태는 INIT(310)로 돌아가고 다음 레이스는 이전 레이스가 끝난 노드에서 시작하여 모든 지연 셀의 지연을 정규화하는 효과가 있다.Thereafter, the racing state returns to the INIT 310 , and the next race starts from the node where the previous race has ended, and has the effect of normalizing the delay of all delay cells.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER TQ를 사용하여 제안된 디지털 LDO의 전체 아키텍처를 보여준다.4 shows the overall architecture of the proposed digital LDO using SVER TQ according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)를 참조하면, 패스 트랜지스터(MPs)는 두 가지 어레이로 구성된다: 1) 코어스 스위칭(coarse switching)을 위한 31-단항 어레이(31-unary array)(430)와 2) 파인 스위칭(fine switching)을 위한 8-이진 어레이(8-binary array)(440). SVER TQ(410)는 VOUT과 VREF를 비교하여 레이싱 결과 정보를 MP-제어 로직(420)에 전달한다. Referring to FIG. 4( a ), the pass transistor M P s consists of two arrays: 1) a 31-unary array 430 for coarse switching and 2) 8-binary array 440 for fine switching. The SVER TQ 410 compares V OUT and V REF and transmits the racing result information to the MP -control logic 420 .

도 4(b)는 코어스 스위칭(coarse switching)(450) 및 파인 스위칭(fine switching)(460)에 따른 MP-제어 로직(420)의 상태 다이어그램을 나타내는 도면이다. FIG. 4( b ) is a diagram illustrating a state diagram of the MP -control logic 420 according to coarse switching 450 and fine switching 460 .

NTD, P, 그리고 CKSP의 상승 에지가 SVER TQ(410)에 의해 전송되면 MP-제어 로직은 KGAIN (도 4(b)의 표에서와 같이) 및 ENFINE을 계산하여 MPs의 스위치를 제어한다. IL이 변경되면 VOUT의 오류는 NTD를 감소시키고 KGAIN을 증가시킨다. KGAIN이 1보다 크면 SWC<30 : 0> 값이 P·KGAIN만큼 변경된다. fSP가 증가하면 과도 상태에서의 동작 속도가 빨라질 수 있다. When the rising edges of N TD , P , and CK SP are transmitted by SVER TQ (410), the MP -control logic calculates K GAIN (as in the table of Fig. 4(b)) and EN FINE to calculate the MP s control the switch of When I L is changed, the error of V OUT decreases N TD and increases K GAIN . If K GAIN is greater than 1, SW C <30 : 0> value is changed by P·K GAIN . If f SP is increased, the operating speed in the transient state can be increased.

VOUT의 오류가 감소하게 되면, NTD가 증가하고 P·KGAIN 값은 1과 -1를 왔다 갔다 하며 변한다. 그 후에, MP-제어 로직(420)은 파인 스위칭(Fine Switching) 상태로 돌아간다. 이 상태에서 이진 검색(Binary Search) 후에는 IL이 변경될 때까지 SWF<7 : 0>의 파인 조정이 진행된다. When the error of V OUT decreases, N TD increases and the P·K GAIN value changes back and forth between 1 and -1. After that, the MP -control logic 420 returns to the Fine Switching state. In this state, after binary search, fine adjustment of S WF <7: 0> is performed until IL is changed.

도 4(c)는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 칩을 나타내는 도면이다. SVER TQ를 사용하는 제안된 디지털 LDO는 도 4(c)와 같이 65nm CMOS 기술로 제작되었다. 이 칩은 와이어 본딩 후 인쇄 회로 기판(PCB)에서 테스트되었다. 본 발명의 실시예에 따른 디지털 LDO는 0.0488mm2의 활성 영역을 차지한다.4 (c) is a view showing a chip manufactured according to an embodiment of the present invention. The proposed digital LDO using SVER TQ was fabricated in 65nm CMOS technology as shown in Fig. 4(c). The chip was tested on a printed circuit board (PCB) after wire bonding. The digital LDO according to an embodiment of the present invention occupies an active area of 0.0488 mm 2 .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC의 3가지 기능의 구현을 나타내는 도면이다. 5 is a diagram showing the implementation of three functions of RC according to an embodiment of the present invention.

도 5(a)는 SWSE, SWPU 및 SWPD 제어, 도 5(b)는 SWVC 제어, 도 5(c)는 레이싱 결과 생성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 5(a) is a diagram for explaining SW SE , SW PU , and SW PD control, FIG. 5(b) is SW VC control, and FIG. 5(c) is a view for explaining the generation of a racing result.

도 5(a)의 첫 번째 기능은 지연 셀의 출력 노드의 연결을 제어하는 것으로, 다음과 같이 두 레이싱 에지의 위치에 따라 SWSE<k>s, SWPU<k>s 및 SWPD<k>s를 스위칭한다. 하나의 에지 EDX(EDOUT 또는 EDREF)가 D<k-1>에서 D<k>로 이동하면 SWSE<k-1>이 꺼지고 SWPU<k-1>이 켜진다. 이후, EDX의 이동을 방해하지 않도록 EDX가 D<k + 1>에 도달하기 전에 SWPD<k + 1>이 꺼진다. 도 5(b)는 VREF 및 VOUT에 대한 지연 셀의 연결이 EDREF 및 EDOUT과 함께 각각 회전하도록 하는 SWVC 제어 로직을 보여준다. 여기서 주목해야 할 점은 VC<11 : 0>이 에지보다 훨씬 빠르게 다음 제어 전압으로 전환해야 한다는 것이다. 이 로직에서 타이밍 마진은 3 개의 지연 셀로 설정되었지만 안정적인 작동을 위해 더 높은 fSP가 필요한 경우 이 마진을 증가시켜야 한다. 도 5(b)의 예에서 EDREF와 EDOUT이 D <6> 및 D <0>에 있을 때 VC<4 : 9>는 VREF에 연결되고 VC<0 : 3> 및 VC<10 : 11>은 VOUT에 연결된다. EDREF 및 EDOUT이 다음 출력으로 이동하면 VC<4> 및 VC<10>이 각각 VOUT 및 VREF로 스위칭된다. 이 기능은 두 에지가 모든 지연 셀을 균등하게 통과할 수 있도록 하여 제안된 SVER를 로컬 불일치에 대해 강건하게 만드는 데 중요하다. 도 5(c)에 표시된 세 번째 기능은 레이싱 결과를 생성한다. EDREF 및 EDOUT이 직면하는 지연 셀 입력의 논리 레벨을 확인하여 현재 레이싱을 완료할지 아니면 계속할지 결정한다. VOUT이 VREF보다 높으면 EDOUT의 이동 속도가 EDREF보다 빠르다. 레이싱이 진행됨에 따라 시간차가 증가하면 EDOUT은 이미 D<6>에 도달했지만 EDREF는 여전히 D<11>에서 상승하므로 D<11>은 0으로 샘플링된다. 그러면 CKSP의 새로운 상승 에지가 생성되고 레이싱 상태는 R-STOP으로 이동하여 NTD와 P가 생성된다. The first function in Fig. 5(a) is to control the connection of the output node of the delay cell, SW SE <k>s, SW PU <k>s, and SW PD <k depending on the position of the two lacing edges as follows: Switch >s. When one edge ED X (ED OUT or ED REF ) moves from D<k-1> to D<k>, SW SE <k-1> turns off and SW PU <k-1> turns on. Then, SW PD <k + 1> is turned off before ED X reaches D<k + 1> so as not to impede the movement of ED X. Figure 5(b) shows the SW VC control logic that causes the connection of the delay cell to V REF and V OUT to rotate with ED REF and ED OUT respectively. The point to note here is that V C <11: 0> should transition to the next control voltage much faster than the edge. In this logic, the timing margin is set to 3 delay cells, but if a higher f SP is needed for stable operation, this margin should be increased. In the example of Fig. 5(b), when ED REF and ED OUT are at D <6> and D <0>, V C <4 : 9> is connected to V REF and V C <0 : 3> and V C < 10 : 11> is connected to V OUT . When ED REF and ED OUT move to the next output, V C <4> and V C <10> switch to V OUT and V REF respectively. This feature is important to make the proposed SVER robust against local mismatch by allowing both edges to pass through all delay cells equally. A third function, shown in Figure 5(c), produces a racing result. Determines whether to complete or continue the current race by checking the logic level of the delay cell input encountered by ED REF and ED OUT . If V OUT is higher than V REF , ED OUT moves faster than ED REF . As the race progresses, as the time difference increases, ED OUT has already reached D<6>, but ED REF is still rising from D<11>, so D<11> is sampled to zero. This creates a new rising edge of CK SP and the racing state moves to R-STOP, creating N TD and P.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 SVER TQ와 종래기술의 TQ에서 VCO의 지연 셀을 비교하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for comparing the delay cell of the VCO in the SVER TQ according to an embodiment of the present invention and the TQ of the prior art.

종래기술 [9]와 [10]의 TQ에서 VCO의 지연 셀과 제안된 SVER TQ 사이의 불일치 효과를 비교하기 위해 Monte-Carlo(MC) 시뮬레이션이 수행되었다. 공정한 비교를 위해 3 개의 TQ의 각 VCO는 동일한 제어 전압이 적용된 동일한 수의 동일한 인버터로 설계되었다. [9]에서 두 개의 복제 VCO를 사용하는 TQ 시뮬레이션을 위해 두 개의 상승 에지가 두 VCO의 동일한 노드에 인가되었다. [10]과 본 발명의 단일 VCO를 사용하는 TQ의 경우 두 개의 상승 에지가 VCO의 두 마주 보는 노드에 인가되었다. 이후, 각 TQ에 대해 동일한 NCYCLE 후에 두 에지의 이동 시간 차이(τDIFF)를 측정했다. 도 6은 NCYCLE이 5로 고정되었을 때 세가지 TQ의 τDIFF 분포를 보여준다. SVER TQ의 1-시그마(σ)는 17ps로 다른 두 TQ보다 83 배 이상 작다. 이 결과는 SVER TQ가 지연 셀 간의 로컬 불일치에 대해 훨씬 더 높은 정확도를 달성 할 수 있음을 의미한다. 도 6은 또한 [10]이 단일 VCO 기반 TQ를 사용했지만 1σ가 [9]의 복제 VCO 기반 TQ와 유사함을 보여준다. 이것은 [10]에서 TQ의 두 에지가 VCO의 지연 셀의 완전히 다른 세트를 이동했기 때문이다. 본 발명에서 지연 셀 간의 불일치 효과는 특히 VREF와 VOUT의 차이가 매우 작은 경우 LDO의 정확도를 제한할 수 있다. 하지만, 차이가 너무 작아지면 레이싱이 끝나기 전에 두 엣지가 모든 지연 셀을 여러 번 통과해야 하므로 지연 셀 간의 불일치로 인한 영향은 정규화되고 상쇄되며, 규제 정확도가 저하되지 않는다. 제안된 SVER TQ의 장점 중 하나는 NCYCLE이 증가함에 따라 VOUT과 VREF의 차이(VDIFF)를 구별하는 능력이 향상된다는 것이다. SVER TQ는 하나의 지연 셀 1/(N·fVCO)보다 큰 시간 차이를 감지할 수 있다. 여기서 fVCO는 기준 전압으로 인해 제어되는 VCO의 주파수이다. NCYCLE이 증가함에 따라 SVER TQ는 동일한 VDIFF로 인한 EDOUT 및 EDREF의 거리가 확장되기 때문에 더 작은 VDIFF를 감지할 수 있다. NCYCLE에 따른 최소 VDIFF, Min[VDIFF]는 다음과 같이 나타낼 수 있다: Monte-Carlo (MC) simulations were performed to compare the mismatch effect between the delay cell of VCO and the proposed SVER TQ in the TQ of prior art [9] and [10]. For a fair comparison, each VCO of the three TQs was designed with the same number of identical inverters with the same control voltage applied. In [9], two rising edges were applied to the same node of the two VCOs for the TQ simulation using two duplicate VCOs. [10] and in the case of TQ using a single VCO of the present invention, two rising edges were applied to two opposing nodes of the VCO. Then, for each TQ, the travel time difference (τ DIFF ) of the two edges after the same N CYCLE was measured. 6 shows the τ DIFF distribution of three TQs when N CYCLE is fixed to 5. The 1-sigma (σ) of SVER TQ is 17ps, which is more than 83 times smaller than the other two TQs. This result means that SVER TQ can achieve much higher accuracy for local mismatch between delay cells. Fig. 6 also shows that 1σ is similar to the duplicate VCO-based TQ of [9], although [10] used a single VCO-based TQ. This is because the two edges of TQ in [10] have shifted a completely different set of delay cells of the VCO. In the present invention, the effect of mismatch between delay cells may limit the accuracy of the LDO, especially when the difference between V REF and V OUT is very small. However, if the difference becomes too small, the effects of mismatches between delay cells are normalized and canceled out, as the two edges have to go through all delay cells multiple times before the lacing is finished, and regulation accuracy is not compromised. One of the advantages of the proposed SVER TQ is that the ability to distinguish the difference (V DIFF ) between V OUT and V REF is improved as N CYCLE increases. SVER TQ can detect a time difference greater than one delay cell 1/(N·fVCO). where f VCO is the frequency of the VCO controlled by the reference voltage. As N CYCLE increases, SVER TQ can detect a smaller V DIFF because the distance between ED OUT and ED REF due to the same V DIFF is extended. The minimum V DIFF , Min[V DIFF ] according to N CYCLE can be expressed as follows:

Figure 112021001464710-pat00001
(1)
Figure 112021001464710-pat00001
(One)

여기서, fSP|MAX는 최대 샘플링 주파수, Max(fREF, fOUT)는 두 에지 중 빠른 에지의 이동 주파수, N은 지연 셀의 개수, KVCO는 VCO의 전압 대 주파수 이득이다. where f SP|MAX is the maximum sampling frequency, Max(f REF , f OUT ) is the moving frequency of the earlier of the two edges, N is the number of delay cells, and K VCO is the voltage versus frequency gain of the VCO.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션과 식(1)의 Min[VDIFF]를 나타내는 도면이다. 7 is a diagram illustrating a simulation according to an embodiment of the present invention and Min[V DIFF ] of Equation (1).

여기서 fVCO, N 및 KVCO는 각각 33MHz, 12 및 265MHz/V로 설정되었다. 도 7은 예상대로 NCYCLE이 증가함에 따라 Min[VDIFF]가 감소했음을 보여준다. Min[VDIFF]가 작더라도 지연 셀 간의 불일치로 인한 τDIFF가 너무 크면 SVER TQ의 해상도는 τDIFF에 의해 제한된다. 하지만 도 7에 표시된 바와 같이 MC 시뮬레이션에서 τDIFF의 1σ에 의해 설정된 VDIFF의 경계는 약 70μV이다. 따라서 NCYCLE이 100 이상으로 증가하면 SVER TQ의 분해능을 100μV 미만으로 안전하게 낮출 수 있다.Here, f VCO , N and K VCO were set to 33 MHz, 12 and 265 MHz/V, respectively. 7 shows that Min[V DIFF ] decreased as N CYCLE increased, as expected. Even if Min[V DIFF ] is small, if τ DIFF due to mismatch between delay cells is too large, the resolution of SVER TQ is limited by τ DIFF . However, as shown in Fig. 7, the boundary of V DIFF set by 1σ of τ DIFF in the MC simulation is about 70 μV. Therefore, when N CYCLE is increased above 100, the resolution of SVER TQ can be safely lowered to less than 100 μV.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 과도 응답을 나타내는 도면이다. 8 is a diagram illustrating a transient response measured according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 SVER TQ를 사용하는 제안된 디지털 LDO는 도 4(c)와 같이 65nm CMOS 기술로 제작되었다. 이 칩은 와이어 본딩 후 인쇄 회로 기판(PCB)에서 테스트되었다. 디지털 LDO는 0.0488mm2의 활성 영역을 차지한다. 도 8(a)는 VIN이 0.5V로 고정된 상태에서 IL이 2.5mA에서 22.5mA로 변경되었을 때 부하 과도 응답의 측정 값을 보여준다. 도 8(a)의 오른쪽에 표시된 것처럼 측정된 fSP

Figure 112021001464710-pat00002
VOUT이 변경됨에 따라 적응적으로 스케일링되었다. 전환 순간에
Figure 112021001464710-pat00003
VOUT이 크면 fSP가 증가하여 60MHz에 도달했다. 이러한 동적으로 스케일링된 fSP로 인해 안정화 시간이 단축되어 VOUT의 언더슈팅(undershooting) 및 오버슈팅(overshooting)을 각각 47mV 및 28mV 미만으로 제한 할 수 있다. 도 8(b)는 VIN이 1.0V로 고정된 상태에서 IL이 10mA에서 80mA로 변경되었을 때 측정된 과도 응답을 보여준다. VOUT의 언더슈팅과 오버슈팅은 각각 30mV와 20mV였다. 도 8(b)의 오른쪽 부분은 동일한 설정으로 과도 상태에서의 시뮬레이션을 보여 주며, 피크 fSP가 78MHz로 증가했음을 보여준다. The proposed digital LDO using SVER TQ in the present invention was fabricated in 65nm CMOS technology as shown in FIG. 4(c). The chip was tested on a printed circuit board (PCB) after wire bonding. The digital LDO occupies an active area of 0.0488mm 2 . Fig. 8(a) shows the measured values of the load transient response when I L is changed from 2.5 mA to 22.5 mA in a state where V IN is fixed at 0.5 V. As shown on the right side of Fig. 8(a), the measured f SP is
Figure 112021001464710-pat00002
It scaled adaptively as V OUT changed. at the moment of transition
Figure 112021001464710-pat00003
When V OUT was large, f SP increased and reached 60 MHz. This dynamically scaled f SP reduces settling time, limiting the undershooting and overshooting of V OUT to less than 47mV and 28mV, respectively. 8(b) shows the measured transient response when I L is changed from 10 mA to 80 mA while V IN is fixed at 1.0 V. The undershooting and overshooting of V OUT were 30mV and 20mV, respectively. The right part of Fig. 8(b) shows the simulation in the transient state with the same settings, showing that the peak f SP increased to 78 MHz.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 부하 조정과 라인 조정을 각각 나타내는 도면이다. 9 is a diagram illustrating measured load adjustment and line adjustment, respectively, according to an embodiment of the present invention.

SVER TQ의 성능은 로컬 불일치에 견고했기 때문에 제안된 LDO는 매우 높은 정확도를 달성했다. 도 9(a)에서 VREF가 50mV 드롭 아웃 전압에서 0.45V 일 때 VOUT의 전압 오차는 0.1 내지 100mA의 IL과 0.45 내지 0.95V의 VREF에서 1.8mV 미만이었다. 도 9(b)는 VREF와 IL이 각각 0.45V와 20mA로 고정되었고, VIN이 0.5V에서 0.75V까지인 조건에서 출력 전압의 오차가 1.9mV 미만이라는 것을 보여준다. 표 1은 SVER TQ를 사용하여 제안된 디지털 LDO의 성능을 다른 양자화기를 사용하는 최첨단 디지털 LDO의 성능과 비교한다. Because the performance of SVER TQ was robust to local inconsistencies, the proposed LDO achieved very high accuracy. In FIG. 9(a) , when V REF was 0.45V at a 50mV dropout voltage, the voltage error of VOUT was less than 1.8mV at I L of 0.1 to 100mA and V REF of 0.45 to 0.95V. FIG. 9(b) shows that V REF and I L are fixed to 0.45V and 20mA, respectively, and the error of the output voltage is less than 1.9mV under the condition that VIN is 0.5V to 0.75V. Table 1 compares the performance of the proposed digital LDO using SVER TQ with that of the state-of-the-art digital LDO using other quantizers.

Figure 112021001464710-pat00004
Figure 112021001464710-pat00004

본 발명의 실시예에 따른 SVER TQ를 사용하는 제안된 디지털 LDO에서 가장 작은 DC 부하 조정과 최고의 FOMTR을 달성했다.The smallest DC load regulation and the highest FOM TR were achieved in the proposed digital LDO using the SVER TQ according to the embodiment of the present invention.

본 발명은 SVER TQ를 사용하는 고속 과도 및 고정밀 디지털 LDO를 제안한다. 적응형 샘플링 속성을 통해 제안된 SVER TQ는 적은 양의 전력을 사용하면서 빠른 과도 응답을 얻을 수 있다. 하나의 지연 셀의 시간차를 구별할 수 있기 때문에 피크 fSP가 매우 높아 LDO의 과도 응답이 더욱 빨라졌다. 기존 VCO 기반 TQ와 달리 제안하는 SVER TQ는 두 개의 레이싱 에지가 단일 VCO의 모든 지연 셀을 동일하게 통과하기 때문에 높은 정확도를 보장할 수 있다. 제안하는 SVER TQ는 추가 회로없이 VOUT의 오류 크기 및 극성에 대한 정보를 제공할 수도 있다. The present invention proposes a high-speed transient and high-precision digital LDO using SVER TQ. Through the adaptive sampling property, the proposed SVER TQ can achieve fast transient response while using a small amount of power. Since the time difference of one delay cell can be distinguished, the peak f SP is very high, and the transient response of the LDO is faster. Unlike the existing VCO-based TQ, the proposed SVER TQ can guarantee high accuracy because two lacing edges pass through all delay cells of a single VCO equally. The proposed SVER TQ can also provide information on the error magnitude and polarity of V OUT without additional circuitry.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

<참고문헌><References>

[1] Y. Okuma et al., "0.5-V input digital LDO with 98.7% current efficiency and 2.7-μA quiescent current in 65nm CMOS," in Proc. IEEE Custom Integr. Circuits Conf., San Jose, CA, USA, Sep. 2010, pp. 1-4. [1] Y. Okuma et al., “0.5-V input digital LDO with 98.7% current efficiency and 2.7-μA quiescent current in 65nm CMOS,” in Proc. IEEE Custom Integr. Circuits Conf., San Jose, CA, USA, Sep. 2010, pp. 1-4.

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[8] D. Kim, S. Kim, M. Seok, H. Ham, and J. Kim, "0.5V-VIN, 165-mA/mm2 fully-integrated digital LDO based on event-driven selftriggering control," in Proc. IEEE Symp. VLSI Circuits, Honolulu, HI, USA, Jun. 2018, pp. 109-110. [8] D. Kim, S. Kim, M. Seok, H. Ham, and J. Kim, "0.5V-VIN, 165-mA/mm2 fully-integrated digital LDO based on event-driven selftriggering control," in Proc. IEEE Symp. VLSI Circuits, Honolulu, HI, USA, Jun. 2018, pp. 109-110.

[9] S. Kundu et al., "A fully integrated digital LDO with built-in adaptive sampling and active voltage positioning using a beat-frequency quantizer," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 1, pp. 109-120, Jan. 2019. [9] S. Kundu et al., “A fully integrated digital LDO with built-in adaptive sampling and active voltage positioning using a beat-frequency quantizer,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 1, pp. 109-120, Jan. 2019.

[10] M. Shim et al., "Edge-pursuit comparator: An energy-scalable oscillator collapse-based comparator with application in a 74.1 dB SNDR and 20 kS/s 15 b SAR ADC," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 52, no. 4, pp. 1077-1090, Apr. 2017. [10] M. Shim et al., "Edge-pursuit comparator: An energy-scalable oscillator collapse-based comparator with application in a 74.1 dB SNDR and 20 kS/s 15 b SAR ADC," IEEE J. Solid-State Circuits , vol. 52, no. 4, pp. 1077-1090, Apr. 2017.

[11] J. Lee, J. Bang, Y. Lim, and J. Choi, "A 0.5V-VIN, 0.29ps-transientFOM, and sub-2mV-accuracy adaptive-sampling digital LDO using single-VCO-based edge-racing time quantizer," in Proc. IEEE Symp. VLSI Circuits, Kyoto, Japan, Jun. 2019, pp. 130-131.[11] J. Lee, J. Bang, Y. Lim, and J. Choi, "A 0.5V-VIN, 0.29ps-transientFOM, and sub-2mV-accuracy adaptive-sampling digital LDO using single-VCO-based edge -racing time quantizer," in Proc. IEEE Symp. VLSI Circuits, Kyoto, Japan, Jun. 2019, pp. 130-131.

Claims (10)

짝수개의 복수의 지연 셀을 포함하고, 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 SVER TQ(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer);
SVER TQ로부터 입력 받은 레이싱 결과 정보에 따라 코어스 스위칭(coarse switching) 및 파인 스위칭(fine switching)을 제어하기 위한 값을 출력하는 MP-제어 로직;
MP-제어 로직의 제어 값에 따라 코어스 스위칭을 수행하는 복수의 단항 어레이(unary array); 및
MP-제어 로직의 제어 값에 따라 파인 스위칭을 수행하는 복수의 이진 어레이(binary array)
를 포함하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터.
It includes an even number of a plurality of delay cells, among the plurality of delay cells, half of the delay cells are controlled by the reference voltage, the other half of the delay cells are controlled by the output voltage, and the race result is obtained by comparing the reference voltage and the output voltage SVER TQ (Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer) that outputs information;
M P -control logic that outputs values for controlling coarse switching and fine switching according to racing result information input from SVER TQ;
M P - a plurality of unary arrays for performing coarse switching according to a control value of the control logic; and
M P - A plurality of binary arrays that perform fine switching according to the control value of the control logic.
A digital low-dropout voltage regulator with a
제1항에 있어서,
SVER TQ는,
각각의 지연 셀이 두 개의 인버터 와 세 개의 스위치를 포함하고, 세 개의 스위치는 레이싱 상태에 따라 RC(Racing Controller)에 의해 제어되며,
지연 셀 간의 로컬 불일치(local mismatch)를 감소시키기 위해 기준 에지 및 출력 에지가 모든 지연 셀을 균등하게 통과하도록 각각의 지연 셀과 기준 전압 및 출력전압의 연결은 기준 에지 및 출력 에지를 따라 회전하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터.
According to claim 1,
SVER TQ,
Each delay cell contains two inverters and three switches, and the three switches are controlled by RC (Racing Controller) according to the racing state,
To reduce local mismatch between delay cells, the connection of each delay cell to the reference voltage and output voltage is made to rotate along the reference edge and output edge so that the reference edge and output edge pass evenly through all delay cells.
Digital low-dropout voltage regulator.
제2항에 있어서,
SVER TQ는,
모든 지연 셀이 접지(GND)로 초기화되는 제1 레이싱 상태;
기준 에지 및 출력 에지가 복수의 지연 셀 중 마주 보는 두 개의 출력 노드에 인가되는 제2 레이싱 상태;
기준 에지 및 출력 에지가 각각 기준 전압 및 출력 전압에 의해 결정되는 서로 다른 속도로 지연 셀을 통해 이동하는 제3 레이싱 상태; 및
두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태
를 포함하는 네 가지 상태로 동작하고,
최종 레이싱 상태 이후 레이싱 상태는 다시 제1 레이싱 상태로 돌아가고 다음 레이스는 이전 레이스가 끝난 노드에서 시작하여 모든 지연 셀의 지연을 정규화하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터.
3. The method of claim 2,
SVER TQ,
a first racing state in which all delay cells are initialized to ground (GND);
a second lacing state in which the reference edge and the output edge are applied to two opposing output nodes among the plurality of delay cells;
a third racing state in which the reference edge and the output edge travel through the delay cell at different rates determined by the reference voltage and the output voltage, respectively; and
When the distance between the two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the final racing state where the current race ends
It operates in four states including
After the last racing state, the racing state goes back to the first racing state, and the next race normalizes the delays of all delay cells, starting at the node where the previous race ended.
Digital low-dropout voltage regulator.
제3항에 있어서,
두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태는,
더 빠른 에지를 감지함으로써 현재 출력 전압이 기준 전압보다 큰지 또는 작은지 판단하고, 판단 결과를 이용하여 출력 전압의 오류를 조정하기 위해 출력 전압과 기준 전압의 차이가 클수록 샘플링 주파수가 자동적으로 증가하고, 두 에지 사이 거리를 지연 셀 개수 단위로 감지하여 최대 샘플링 주파수는 하기 식에 따라 결정되고,
fSP|MAX = N/2·Max (fREF, fOUT)
여기서, fSP|MAX는 최대 샘플링 주파수, Max(fREF, fOUT)는 두 에지 중 빠른 에지의 이동 주파수, N은 지연 셀의 개수를 나타내는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터.
4. The method of claim 3,
When the distance between the two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the final racing state where the current race ends is,
By detecting the faster edge, it is determined whether the current output voltage is greater than or less than the reference voltage, and the sampling frequency is automatically increased as the difference between the output voltage and the reference voltage is greater, in order to use the judgment result to adjust the error of the output voltage, By detecting the distance between two edges in units of the number of delay cells, the maximum sampling frequency is determined according to the following formula,
f SP|MAX = N/2 Max (f REF , f OUT )
where f SP|MAX is the maximum sampling frequency, Max(f REF , f OUT ) is the moving frequency of the earliest edge among the two edges, and N is the number of delay cells.
Digital low-dropout voltage regulator.
제2항에 있어서,
RC(Racing Controller)는,
두 에지의 위치에 따라 지연 셀 연결을 위한 스위치, VDD로 풀업을 위한 스위치 및 GND로 풀다운을 위한 스위치를 제어하고,
기준 전압 및 출력 전압에 대한 지연 셀의 연결이 기준 에지 및 출력 에지와 함께 각각 회전하도록 두 인버터의 제어 전압 스위치를 제어하고,
기준 에지 및 출력 에지가 마주 보는 지연 셀 입력의 논리 레벨을 확인하여 현재 레이싱을 완료할지 아니면 계속 진행할지 여부를 결정하도록 제어하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터.
3. The method of claim 2,
RC (Racing Controller) is,
Control the switch for delay cell connection, the switch for pull-up to VDD and the switch for pull-down to GND according to the position of the two edges,
controlling the control voltage switches of the two inverters so that the connection of the delay cell to the reference voltage and the output voltage rotates with the reference edge and the output edge respectively;
Control to determine whether to complete or continue the current race by checking the logic level of the input of the delay cell, where the reference edge and the output edge are opposite.
Digital low-dropout voltage regulator.
짝수개의 복수의 지연 셀을 포함하는 SVER TQ(Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer)를 통해 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 단계;
MP-제어 로직을 통해 SVER TQ로부터 입력 받은 레이싱 결과 정보에 따라 코어스 스위칭(coarse switching) 및 파인 스위칭(fine switching)을 제어하기 위한 값을 출력하는 단계;
복수의 단항 어레이(unary array)가 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 코어스 스위칭을 수행하는 단계; 및
복수의 이진 어레이(binary array)가 MP-제어 로직의 제어 값에 따라 파인 스위칭을 수행하는 단계
를 포함하는 디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법.
Through SVER TQ (Single Voltage Controlled Oscillator based Edge-Racing Time Quantizer) including an even number of a plurality of delay cells, half of the delay cells among the plurality of delay cells are controlled by the reference voltage, and the other half delay cells are output voltage Controlled by, outputting the racing result information by comparing the reference voltage and the output voltage;
M P - outputting a value for controlling coarse switching and fine switching according to the racing result information input from SVER TQ through the control logic;
performing, by a plurality of unary arrays, coarse switching according to a control value of MP -control logic; and
A plurality of binary arrays performing fine switching according to the control value of M P -control logic
A digital low-dropout voltage regulator operating method comprising a.
제6항에 있어서,
복수의 지연 셀을 포함하는 SVER TQ를 통해 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 단계는,
두 개의 인버터 와 세 개의 스위치를 포함하는 각각의 지연 셀의 세 개의 스위치가 레이싱 상태에 따라 RC(Racing Controller)에 의해 제어되며,
지연 셀 간의 로컬 불일치(local mismatch)를 감소시키기 위해 기준 에지 및 출력 에지가 모든 지연 셀을 균등하게 통과하도록 각각의 지연 셀과 기준 전압 및 출력전압의 연결이 기준 에지 및 출력 에지를 따라 회전하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법.
7. The method of claim 6,
With SVER TQ including a plurality of delay cells, half of the delay cells among the plurality of delay cells are controlled by the reference voltage, and the other half delay cells are controlled by the output voltage, and the reference voltage and the output voltage are compared to race The step of outputting the result information is,
The three switches of each delay cell, including two inverters and three switches, are controlled by the RC (Racing Controller) according to the racing state,
To reduce local mismatch between delay cells, the connection of each delay cell and reference voltage and output voltage is rotated along the reference edge and output edge so that the reference edge and output edge pass evenly through all delay cells.
How a digital low-dropout voltage regulator works.
제7항에 있어서,
복수의 지연 셀을 포함하는 SVER TQ를 통해 복수의 지연 셀 중 절반의 지연 셀은 기준 전압에 의해 제어되고, 나머지 절반의 지연 셀은 출력전압에 의해 제어되고, 기준 전압과 출력전압을 비교하여 레이싱 결과 정보를 출력하는 단계는,
모든 지연 셀이 접지(GND)로 초기화되는 제1 레이싱 상태;
기준 에지 및 출력 에지가 복수의 지연 셀 중 마주 보는 두 개의 출력 노드에 인가되는 제2 레이싱 상태;
기준 에지 및 출력 에지가 각각 기준 전압 및 출력 전압에 의해 결정되는 서로 다른 속도로 지연 셀을 통해 이동하는 제3 레이싱 상태; 및
두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태
를 포함하는 네 가지 상태로 동작하고,
최종 레이싱 상태 이후 레이싱 상태는 다시 제1 레이싱 상태로 돌아가고 다음 레이스는 이전 레이스가 끝난 노드에서 시작하여 모든 지연 셀의 지연을 정규화하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법.
8. The method of claim 7,
With SVER TQ including a plurality of delay cells, half of the delay cells among the plurality of delay cells are controlled by the reference voltage, and the other half delay cells are controlled by the output voltage, and the reference voltage and the output voltage are compared to race The step of outputting the result information is,
a first racing state in which all delay cells are initialized to ground (GND);
a second lacing state in which the reference edge and the output edge are applied to two opposing output nodes among the plurality of delay cells;
a third racing state in which the reference edge and the output edge travel through the delay cell at different rates determined by the reference voltage and the output voltage, respectively; and
When the distance between the two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the final racing state where the current race ends
It operates in four states including
After the last racing state, the racing state goes back to the first racing state, and the next race normalizes the delays of all delay cells, starting at the node where the previous race ended.
How a digital low-dropout voltage regulator works.
제8항에 있어서,
두 에지 사이의 거리가 감소하여, 초기 값으로부터 하나의 지연 셀보다 가까워지면, 현재 레이스가 종료되는 최종 레이싱 상태는,
더 빠른 에지를 감지함으로써 현재 출력 전압이 기준 전압보다 큰지 또는 작은지 판단하고, 판단 결과를 이용하여 출력 전압의 오류를 조정하기 위해 출력 전압과 기준 전압의 차이가 클수록 샘플링 주파수가 자동적으로 증가하고, 두 에지 사이 거리를 지연 셀 개수 단위로 감지하여 최대 샘플링 주파수는 하기 식에 따라 결정되고,
fSP|MAX = N/2·Max (fREF, fOUT)
여기서, fSP|MAX는 최대 샘플링 주파수, Max(fREF, fOUT)는 두 에지 중 빠른 에지의 이동 주파수, N은 지연 셀의 개수를 나타내는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법.
9. The method of claim 8,
When the distance between the two edges decreases, closer than one delay cell from the initial value, the final racing state where the current race ends is,
By detecting the faster edge, it is determined whether the current output voltage is greater than or less than the reference voltage, and the sampling frequency is automatically increased as the difference between the output voltage and the reference voltage is greater, in order to use the judgment result to adjust the error of the output voltage, By detecting the distance between two edges in units of the number of delay cells, the maximum sampling frequency is determined according to the following formula,
f SP|MAX = N/2 Max (f REF , f OUT )
where f SP|MAX is the maximum sampling frequency, Max(f REF , f OUT ) is the moving frequency of the earliest edge among the two edges, and N is the number of delay cells.
How a digital low-dropout voltage regulator works.
제7항에 있어서,
RC(Racing Controller)가 두 에지의 위치에 따라 지연 셀 연결을 위한 스위치, VDD로 풀업을 위한 스위치 및 GND로 풀다운을 위한 스위치를 제어하고,
기준 전압 및 출력 전압에 대한 지연 셀의 연결이 기준 에지 및 출력 에지와 함께 각각 회전하도록 두 인버터의 제어 전압 스위치를 제어하고,
기준 에지 및 출력 에지가 마주 보는 지연 셀 입력의 논리 레벨을 확인하여 현재 레이싱을 완료할지 아니면 계속 진행할지 여부를 결정하도록 제어하는
디지털 저전압 강하 전압 레귤레이터 동작 방법.
8. The method of claim 7,
RC (Racing Controller) controls a switch for delay cell connection, a switch for pull-up to VDD, and a switch for pull-down to GND according to the positions of the two edges,
controlling the control voltage switches of the two inverters so that the connection of the delay cell to the reference voltage and the output voltage rotates with the reference edge and the output edge respectively;
Control to determine whether to complete or continue the current race by checking the logic level of the input of the delay cell, where the reference edge and the output edge are opposite.
How a digital low-dropout voltage regulator works.
KR1020210001364A 2020-01-31 2021-01-06 Digital Low Dropout Voltage Regulator using Single-VCO based Edge-Racing Time Quantizer KR102396398B1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180226981A1 (en) 2017-02-03 2018-08-09 The Regents Of The University Of California Successive approximation digital voltage regulation methods, devices and systems

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Title
C. H. Chan et. al, "A 7.8-mW 5-b 5-GS/s dual-edges-triggered time-based flash ADC", IEEE Transactions on Circuits and Systems I, Vol 64, No 8, Aug. 2017

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