KR20030086107A - Phase detector for high-speed clock recovery circuit - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 데이터 통신시스템에서 사용되는 클럭 복원회로에 포함되는 위상검출기(Phase Detector)에 관한 것이다.The present invention relates to a phase detector included in a clock recovery circuit used in a data communication system.
인터넷 백본에 사용되는 광통신용 데이터 속도는 2.5Gb/s - 10Gb/s의 고속동작이 요구되며, 이러한 고속의 데이터 통신시스템에는 직렬 데이터로부터 클럭과 데이터를 복원하는 회로(Clock and Data Recovery, 이하 'CDR 회로')가 반드시 필요하다. 클럭 복원회로는 크게 위상/주파수 검출기, 클럭신호 발생기, 데이터 재생기 등으로 구성된다.The optical data rate used in the Internet backbone requires high speed operation of 2.5Gb / s-10Gb / s, and the high speed data communication system has a circuit for recovering clock and data from serial data. CDR circuit ') is necessary. The clock recovery circuit is largely composed of a phase / frequency detector, a clock signal generator, a data regenerator, and the like.
기가비트(Gb/s)급의 광통신 데이터 송수신 분야에서는 정해진 규격에 따라 데이터 전송속도가 정해지므로(OC-48, OC-192 등), 데이터의 광범위한 주파수 검출보다는 위상 검출이 더 중요시된다. 따라서 위상검출기 회로의 성능은 클럭 복원기의 성능에 중요한 역할을 하게 되었다.In the field of gigabit (Gb / s) optical communication data transmission and reception, the data transmission rate is determined according to a predetermined standard (OC-48, OC-192, etc.), so phase detection is more important than wide frequency detection of data. Therefore, the performance of the phase detector circuit plays an important role in the performance of the clock recoverer.
고속 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) CDR 회로의 경우, 복잡한 상태머신을 이용한 위상/주파수 검출회로와 전압제어오실레이터(Voltage Controlled Oscillator, 이하 'VCO')가 연결되어 클럭을 복원한다. 현재, 여러 가지 형태의 위상/주파수 검출기(Phase Frequency Detector, 이하 'PFD')가 사용되고 있는데, 구체적으로는 일반적인 상태머신을 이용한 구조의 PFD 또는 다이나믹 PFD 등이 빠른 속도의 CMOS 클럭 복원회로를 구성하기 위해 주로 사용되고 있다.In the case of a high-speed CMOS (complementary metal oxide semiconductor) CDR circuit, a phase / frequency detection circuit using a complex state machine and a voltage controlled oscillator (VCO) are connected to restore a clock. Currently, various types of phase frequency detectors (PFDs) are used. Specifically, a PFD or a dynamic PFD using a general state machine is used to construct a fast CMOS clock recovery circuit. Mainly used for.
상기 회로들은 넓은 주파수 영역에서 동작하는 클럭 복원회로에 주로 응용되므로, 여러 개의 플립플롭구조와 논리게이트로 구성된다. 또한, 연속적인 '1'이나 '0'이 입력될 경우, 전압제어 오실레이터를 조정하는 전압이 보존되지 못하므로 별도의 전압홀드회로가 요구된다는 문제점이 있다.Since the circuits are mainly applied to a clock recovery circuit operating in a wide frequency domain, the circuits include a plurality of flip-flop structures and logic gates. In addition, when a continuous '1' or '0' is input, there is a problem that a separate voltage hold circuit is required because the voltage for adjusting the voltage control oscillator is not preserved.
이밖에, 디지털 회로만을 이용하고 빠른 속도의 다중-위상의 클럭들을 이용하여 입력 데이터의 위상 및 주파수를 동시에 검출하는 오버샘플링방법을 이용한 CMOS CDR 회로가 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 오버샘플링 방법을 이용할 경우에는 복원회로에 비교적 큰 칩 면적이 필요하며 다량의 전력소모가 발생한다는 문제점이 있다.In addition, a CMOS CDR circuit has been proposed using an oversampling method that uses only a digital circuit and simultaneously detects phase and frequency of input data using fast multi-phase clocks. However, when using this oversampling method, there is a problem that a relatively large chip area is required in the restoration circuit and a large amount of power is consumed.
또한, 광통신용 고속 데이터 통신에서는 굳이 광범위한 주파수 획득기능을 필요로 하지 않기 때문에 고속동작에 반응하고 간단한 구조를 가진 위상검출기가 요구되는 실정이다.In addition, since high speed data communication for optical communication does not require a wide range of frequency acquisition functions, there is a need for a phase detector that responds to high speed operation and has a simple structure.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수 Gb/s의 고속 클럭 및 데이터 복원회로에 적용할 수 있는, 간단한 구조이고 작은 칩 면적으로 구현할 수 있는 고성능ㆍ고속동작의 위상검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 연속적인 '1'이나 '0'의 데이터가 입력되는 경우에도 별도의 전압홀드 회로를 가질 필요가 없이 고속으로 동작하고 데이터 속도의 1/2 속도인 클럭을 복원하여 동작함으로써, 회로설계가 용이하고 전력소비 절감효과가 있는 위상검출기를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a high performance and high speed phase detector that can be implemented in a small chip area and can be applied to a high speed clock and data recovery circuit of several Gb / s. It is done. In addition, even when continuous '1' or '0' data is input, it is not necessary to have a separate voltage hold circuit and operates at high speed and operates by restoring a clock that is 1/2 of the data rate. It is an object of the present invention to provide a phase detector that is easy and has a power saving effect.
도 1은 본 발명에 따른 위상검출기가 포함된 클럭 복원회로도,1 is a clock recovery circuit diagram including a phase detector according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 위상검출기의 상세 구성도,2 is a detailed configuration diagram of a phase detector according to the present invention;
도 3은 위상검출시 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 나타내는 도면,3 is a view showing a data preceding signal and a delay signal generation form during phase detection;
도 4는 클럭속도가 데이터속도보다 빠른 경우의 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 나타내는 도면,4 is a view showing a data leading signal and a delay signal generation mode when the clock speed is faster than the data rate;
도 5는 클럭속도가 데이터속도보다 느린 경우의 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 나타내는 도면,5 is a view showing a data leading signal and a delay signal generation mode when the clock speed is slower than the data rate;
도 6는 입력데이터가 연속적인 '0'인 경우 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 나타내는 도면,6 is a view showing a data leading signal and a delay signal generation form when the input data is consecutive '0';
도 7은 입력데이터가 연속적인 '1'인 경우 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 나타내는 도면,7 is a view showing a data leading signal and a delay signal generation form when the input data is a continuous '1';
도 8은 랜덤 입력데이터의 복원클럭 및 데이터 신호를 나타내는 도면.8 is a diagram illustrating a recovery clock and a data signal of random input data;
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 클럭 복원회로의 전압제어오실레이터(300)로부터 출력되는 0도 위상 클럭신호(0 CLK) 및 90도 위상 클럭신호(90 CLK)를 입력으로 하여 데이터 선행신호를 출력하는 제 1 배타적논리합 논리 게이트(101)와, 0도 위상 클럭신호(0 CLK) 및 입력 데이터 신호를 입력으로 하여 데이터 지연신호를 출력하는 제 2 배타적논리합 논리 게이트(102)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 클럭 복원회로용 위상검출기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention outputs a data preceding signal by inputting a 0 degree phase clock signal (0 CLK) and a 90 degree phase clock signal (90 CLK) output from the voltage control oscillator 300 of the clock recovery circuit. And a second exclusive logic logic gate (101) for inputting a zero degree phase clock signal (0 CLK) and an input data signal and outputting a data delay signal. A phase detector for a high speed clock recovery circuit is provided.
플립플롭 및 상태머신에 기반을 둔 위상/주파수검출기(PFD)나 아날로그회로 형태의 위상검출기(Phase Detector, PD)와는 달리, 본 발명에 따른 고속 클럭 복원회로용 위상검출기(100)는 VCO(300)로부터의 클럭 중 0도 위상 및 90도 위상 클럭신호(0 CLK 및 90 CLK), 그리고 입력 데이터를 입력으로 하는 2개의 배타적논리합(Exclusive-OR) 논리 게이트(101, 102)를 사용하여 단순하게 구성된다. 본 발명에 의한 위상검출기(100)의 출력신호는 상기 입력데이터 및 VCO(300)로부터 공급된 2개의 클럭신호를 배타적논리합 연산을 함으로써 생성되며, 상기 위상검출기(100)를 사용하여 상기 VCO(300)는 데이터 속도의 1/2 속도의 클럭을 출력하게 설계함으로써 고속 동작 VCO 설계의 어려움을 완화하였고 또한 전력소비도 줄일 수가 있다. 따라서, 최종 데이터 복원에서는 상기 VCO(300)에서 발생되는 클럭의 상승에지 및 하강에지를 이용하여 데이터를 추출할 수 있도록 양에지동작 플립플롭 (Double Edge Trigerring Flip-Flop)이 필요하다.Unlike a phase / frequency detector (PFD) based on a flip-flop and a state machine or a phase detector (PD) in the form of an analog circuit, the phase detector 100 for a fast clock recovery circuit according to the present invention is a VCO (300). Of the clocks from < RTI ID = 0.0 > 1) < / RTI > and two exclusive-OR logic gates 101 and 102 that take input data as input, and the 0 degree phase and 90 degree phase clock signals (0 CLK and 90 CLK). It is composed. The output signal of the phase detector 100 according to the present invention is generated by performing an exclusive logical sum operation on the input data and two clock signals supplied from the VCO 300, and using the phase detector 100, the VCO 300. By designing a clock that is one half the data rate, it alleviates the challenges of high-speed VCO design and reduces power consumption. Accordingly, in the final data restoration, a double edge operation flip-flop is required to extract data using the rising edge and the falling edge of the clock generated by the VCO 300.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 위상검출기(100)를 포함하는 클럭 복원회로의 구성을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 위상검출기(100)의 상세 구성도이다. 위상검출기(100)는 2개의 2입력 배타적논리합 논리 게이트(101, 102)으로 구성되며, 위상검출기(100)의 입력신호는 VCO(300)에서 만들어지는 4개의 다른 위상의 복원클럭들 중 0도 위상 클럭신호(0 CLK)와 90도 위상 클럭신호(90 CLK), 그리고 외부로부터의 데이터 입력이다.1 is a block diagram of a clock recovery circuit including a phase detector 100 according to the present invention, and FIG. 2 is a detailed configuration diagram of the phase detector 100 according to the present invention. The phase detector 100 is composed of two two input exclusive logic logic gates 101 and 102, and an input signal of the phase detector 100 is zero degrees among four different phase reconstruction clocks generated by the VCO 300. Phase clock signal (0 CLK), 90 degree phase clock signal (90 CLK), and data input from the outside.
상기에서 입력된 0 CLK 신호와 90 CLK 신호는 하나의 배타적논리합 논리 게이트(101)의 입력신호로 들어가서 데이터와 클럭의 위상관계를 근거로 선행위상차 신호, 즉 데이터 선행신호를 만들어 출력한다. 한편, 상기에서 입력된 0 CLK 신호와 입력데이터 신호는 또 다른 배타적논리합 논리 게이트(102)의 입력신호로 들어가서 데이터와 클럭의 위상관계를 근거로 지연위상차 신호, 즉 데이터 지연신호를 만들어 낸다. 상기 선행위상차 신호 및 지연위상차 신호는 결국 VCO(300)의 전압 생성회로에 연결되어 새로운 복원클럭을 만들어내는 데 사용된다. 즉, 상기에서 출력되는 데이터 선행 및 지연 신호들은 전하펌프회로(200)에 연결되어 신호에 따라 전하를 공급 또는 소비하여 VCO(300)의 전압을 변화시킴으로써 발생 클럭의 위상 및 주파수를 조정한다.The input 0 CLK signal and the 90 CLK signal enter the input signal of one exclusive logical logic logic gate 101 and generate and output a preceding phase difference signal, that is, a data preceding signal based on the phase relationship between the data and the clock. On the other hand, the input 0 CLK signal and the input data signal is input to another exclusive logic logic gate 102 to generate a delay phase difference signal, that is, a data delay signal based on the phase relationship between the data and the clock. The preceding phase difference signal and the delayed phase difference signal are eventually connected to the voltage generation circuit of the VCO 300 and used to generate a new recovery clock. That is, the data preceding and delayed signals output from the above are connected to the charge pump circuit 200 to supply or consume charges according to the signal to change the voltage of the VCO 300 to adjust the phase and frequency of the generated clock.
예컨대 데이터 지연 전압 펄스가 발생할 경우, 전하를 전원으로부터 공급하여 VCO(300) 제어전압을 상승시켜 VCO(300) 발생 주파수를 높임으로써 위상을 따라 잡도록 한다. 반대로 데이터 선행 전압 펄스가 발생할 경우, 전하를 접지쪽으로 방출하여 VCO(300) 제어전압을 하강시켜 VCO(300) 발생 주파수를 낮춤으로써 위상을 늦추어 데이터와 클럭의 위상을 올바르게 한다.For example, when a data delay voltage pulse occurs, charge is supplied from a power supply to increase the VCO 300 control voltage to increase the frequency of VCO 300 to catch up with the phase. On the contrary, when a data leading voltage pulse occurs, the charge is discharged to the ground to lower the control voltage of the VCO 300 to lower the frequency of the VCO 300 so that the phase is delayed to correctly phase the data and the clock.
본 발명에 의한 위상검출기(100)를 사용하면 클럭 복원회로의 VCO(300)는 데이터 속도의 1/2 속도인 클럭을 출력하게 된다. 생성된 클럭의 상승에지와 하강에지시에 데이터를 샘플링하여 복원함으로써 데이터 속도의 1/2인 클럭으로도 고속 데이터 복원이 가능하다.When the phase detector 100 according to the present invention is used, the VCO 300 of the clock recovery circuit outputs a clock that is 1/2 of the data rate. By sampling and restoring data on the rising and falling edges of the generated clock, high-speed data recovery is possible even with a clock that is half the data rate.
도 3은 위상검출시 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 도시한 것으로서, 데이터와 클럭 간의 위상이 정렬되었을 경우(위상잠김상태), 데이터 위상이 선행하는 경우(데이터위상선행) 및 데이터 위상이 지연되는 경우(클럭위상선행)의 3가지 경우에 대하여 위상검출기(100)에서 만들어 내는 신호를 표시하였다. 이하에서 각각의 경우에 대해 설명한다.FIG. 3 shows the data preceding signal and delay signal generation patterns during phase detection, when the phase between the data and the clock is aligned (phase locked state), when the data phase precedes (data phase leading), and the data phase is delayed. The signal generated by the phase detector 100 is displayed for the three cases (clock phase leading). Each case will be described below.
먼저, 0 CLK 신호의 상승에지와 하강에지가 데이터의 한 가운데에 위치할 때, 시스템은 위상동기 또는 위상잠김 상태가 되어 동작한다. 이때, 위상검출기(100)의 출력신호인 데이터 선행신호와 데이터 지연신호는 똑같은 폭의 신호를 같은 시간에 만들어 내어 전하펌프회로(200)에서 충전과 방전되는 전하량이 같으므로 연결된 VCO(300) 제어전압의 변화가 없다. 따라서 위상 잠김상태가 지속된다. 종래 다른 구조의 위상검출회로에서는, 위상잠김시 전하 충전/방전을 위한 신호들이 없어지므로 VCO 제어전압을 일정하게 유지하기 위해서는 별도의 전압홀드회로가 필요하였다. 그러나, 본 발명의 경우에는 위상잠김시 전하펌프를 결정하는 데이터 선행신호 및 지연신호가 계속해서 같은 폭으로 만들어지기 때문에, 이들이 실제 전하를 충전/방전을 계속하여도 전압변화가 없으므로 별도의 VCO(300) 제어전압 홀드회로가 필요하지 않다.First, when the rising and falling edges of the 0 CLK signal are in the center of the data, the system operates in phase locked or phase locked. At this time, the data leading signal and the data delay signal, which are output signals of the phase detector 100, generate a signal having the same width at the same time, and thus control the connected VCO 300 because the amount of charge charged and discharged in the charge pump circuit 200 is the same. There is no change in voltage. Therefore, the phase locked state is maintained. In the conventional phase detection circuit of another structure, since the signals for charge charge / discharge are lost when the phase is locked, a separate voltage hold circuit is required to maintain the VCO control voltage constant. However, in the case of the present invention, since the data leading signal and the delay signal for determining the charge pump during phase locking are continuously made the same width, there is no voltage change even if they continue to charge / discharge the actual charge. 300) The control voltage hold circuit is not necessary.
다음으로, 입력 데이터가 90 CLK보다 빠른 위상인 경우, 데이터 지연신호의 high 상태가 데이터 선행신호의 그것보다 짧게 되며, 따라서 두 신호 차이에서 데이터 선행신호의 여분의 값이 루프필터에 대한 전하펌프(200)의 전하감소 신호로 작용하게 된다. 전하감소는 VCO(300) 제어전압 강하로 이어지며 이는 VCO(300)의 클럭주기 감소를 가져오고, 따라서 클럭 위상이 입력 데이터의 위상값과 보조를 맞출 수 있게 된다.Next, when the input data is in phase faster than 90 CLK, the high state of the data delay signal is shorter than that of the data leading signal, so that the extra value of the data leading signal at the two signal differences causes the charge pump ( It acts as a charge reduction signal of 200). The charge reduction leads to a drop in the VCO 300 control voltage, which results in a reduction in the clock period of the VCO 300 so that the clock phase can keep pace with the phase value of the input data.
마지막으로, 입력 데이터가 90 CLK보다 느린 위상인 경우, 데이터 지연신호의 high 상태가 데이터 선행신호의 그것보다 길게 되며, 따라서 데이터 지연의 여분의 값이 전하펌프의 전하증가 신호로 작용하게 된다. 전하증가는 VCO(300) 제어전압 상승으로 이어지며 이는 VCO(300)의 클럭주기 증가를 가져오고, 따라서 클럭 위상이 입력 데이터의 위상과 보조를 맞출 수 있게 된다.Finally, when the input data is in phase slower than 90 CLK, the high state of the data delay signal is longer than that of the data preceding signal, so that the extra value of the data delay serves as the charge increase signal of the charge pump. The increase in charge leads to an increase in the control voltage of the VCO 300 which leads to an increase in the clock period of the VCO 300, so that the clock phase can keep pace with the phase of the input data.
입력 데이터와 클럭간 주파수가 다른 경우에도 같은 방법이 적용된다. 도 4에서 도시한 바와 같이, 입력 데이터의 주파수가 그에 해당되는 클럭 속도의 그것보다 느린 경우 데이터 지연신호의 high 상태가 데이터 선행신호의 그것보다 길게 되며, 따라서 데이터 지연신호의 여분의 값이 전하펌프(200)의 전하증가 신호로 작용하게 된다. VCO(300) 제어전압 노드에서의 전하증가는 전압상승으로 이어지며, 이는 VCO(300)의 클럭주기 증가를 가져와 클럭 속도가 감소된다. 따라서 클럭 위상값이 입력 데이터의 위상값과 보조를 맞출 수 있게 된다. 반대의 경우, 즉 입력 데이터의 주파수가 그에 해당되는 클럭 속도의 그것보다 빠른 경우는 도 5에서 도시한 바와 같이, 데이터 선행신호의 남는 부분이 전하감소로 작용하며, 이는 클럭주기의 감소를 가져와 복원 클럭의 속도는 빨라진다.The same applies if the frequency is different between the input data and the clock. As shown in Fig. 4, when the frequency of the input data is slower than that of the corresponding clock speed, the high state of the data delay signal is longer than that of the data preceding signal, so that the extra value of the data delay signal is the charge pump. Act as an increase signal of the charge (200). The increase in charge at the VCO 300 control voltage node leads to an increase in voltage, which results in an increase in the clock period of the VCO 300 resulting in a decrease in clock speed. Thus, the clock phase value can keep pace with the phase value of the input data. In the opposite case, i.e., when the frequency of the input data is faster than that of the corresponding clock speed, as shown in Fig. 5, the remaining portion of the data leading signal acts as a charge reduction, which leads to a reduction in the clock period and restores it. The clock speeds up.
도 6 및 도 7은 각각 입력 데이터가 연속적인 '0'인 경우 및 연속적인 '1'인경우의 데이터 선행신호 및 지연신호 발생형태를 도시한 것이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 입력 데이터가 '1' 또는 '0' 상태에 오래 머무를 경우에는 데이터 선행신호와 데이터 지연신호의 high 상태값이 교대로 반복해서 나타나게 된다. 그러나, 평균 전하값은 변하지 않으므로 회로는 계속 안정된 잠김 상태에 있게 된다.6 and 7 illustrate the generation form of the data leading signal and the delay signal when the input data is continuous '0' and the continuous '1', respectively. 6 and 7, when the input data stays in the '1' or '0' state for a long time, the high state values of the data leading signal and the data delay signal are alternately repeatedly displayed. However, since the average charge value does not change, the circuit remains in a stable locked state.
도 8은 실제 랜덤한 입력 데이터에 반응하여 데이터 복원과 클럭복원이 이루어진 실험 결과를 도시한 것으로, 각 그래프는 데이터 입력, 복원된 데이터 및 복원된 클럭을 나타낸다.8 illustrates an experimental result of data restoration and clock restoration in response to actual random input data, and each graph represents data input, recovered data, and recovered clock.
본 발명에 따른 위상검출기는 좁은 범위의 데이터 주파수 변화에는 반응하여 클럭을 조정하지만, 데이터의 고조파(harmonics)에 주파수 잠김이 일어날 수도 있다. 따라서, 데이터 주파수 변동이 2배 이하이고 0.5배 이상인 데이터 속도 변동에 동작하는 시스템에 적용하는 것이 바람직하다.The phase detector according to the present invention adjusts the clock in response to a narrow range of data frequency changes, but frequency locking may occur in the harmonics of the data. Therefore, it is desirable to apply to a system operating on data rate fluctuations in which the data frequency fluctuation is 2 times or less and 0.5 times or more.
상기와 같이 본 발명에 따른 2개의 배타적논리합 구조의 위상검출기를 사용하면, 작은 칩 면적에 연속적인 '1'이나 '0'의 입력 데이터에도 별도의 전압홀드회로를 필요로 하지 않고 고속으로 동작하는 클럭 복원회로 설계를 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 위상검출기를 사용하면 클럭 복원회로의 VCO는 데이터 속도의 1/2 속도의 클럭을 복원하므로 전력소비도 줄일 수 있다는 효과가 있다.As described above, when the phase detectors of the two exclusive logic structures according to the present invention are used, even when input data of '1' or '0' that is continuous in a small chip area does not require a separate voltage hold circuit, it operates at high speed. The clock recovery circuit can be designed. In addition, when the phase detector according to the present invention is used, the VCO of the clock recovery circuit recovers a clock of 1/2 the data rate, thereby reducing power consumption.
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KR1020020024480A KR20030086107A (en) | 2002-05-03 | 2002-05-03 | Phase detector for high-speed clock recovery circuit |
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KR1020020024480A KR20030086107A (en) | 2002-05-03 | 2002-05-03 | Phase detector for high-speed clock recovery circuit |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2002
- 2002-05-03 KR KR1020020024480A patent/KR20030086107A/en not_active Application Discontinuation
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