Ring-Oscillator-Based Frequency Synthesizers for High-Speed Serial Links

Abstract

In this dissertation, major concerns in the clocking of modern serial links are discussed. As sub-rate, multi-standard architectures are becoming predominant, the conventional clocking methodology seems to necessitate innovation in terms of low-cost implementation. Frequency synthesis with active, inductor-less oscillators replacing LC counterparts are reviewed, and solutions for two major drawbacks are proposed. Each solution is verified by prototype chip design, giving a possibility that the inductor-less oscillator may become a proper candidate for future high-speed serial links. To mitigate the high flicker noise of a high-frequency ring oscillator (RO), a reference multiplication technique that effectively extends the bandwidth of the following all-digital phase-locked loop (ADPLL) is proposed. The technique avoids any jitter accumulation, generating a clean mid-frequency clock, overall achieving high jitter performance in conjunction with the ADPLL. Timing constraint for the proper reference multiplication is first analyzed to determine the calibration points that may correct the existent phase errors. The weight for each calibration point is updated by the proposed a priori probability-based least-mean-square (LMS) algorithm. To minimize the time required for the calibration, each gain for the weight update is adaptively varied by deducing a posteriori which error source dominates the others. The prototype chip is fabricated in a 40-nm CMOS technology, and its measurement results verify the low-jitter, high-frequency clock generation with fast calibration settling. The presented work achieves an rms jitter of 177/223 fs at 8/16-GHz output, consuming 12.1/17-mW power. As the second embodiment, an RO-based ADPLL with an analog technique that addresses the high supply sensitivity of the RO is presented. Unlike prior arts, the circuit for the proposed technique does not extort the RO voltage headroom, allowing high-frequency oscillation. Further, the performance given from the technique is robust over process, voltage, and temperature (PVT) variations, avoiding the use of additional calibration hardware. Lastly, a comprehensive analysis of phase noise contribution is conducted for the overall ADPLL, followed by circuit optimizations, to retain the low-jitter output. Implemented in a 40-nm CMOS technology, the frequency synthesizer achieves an rms jitter of 289 fs at 8 GHz output without any injected supply noise. Under a 20-mVrms white supply noise, the ADPLL suppresses supply-noise-induced jitter by -23.8 dB.

본 논문은 현대 시리얼 링크의 클락킹에 관여되는 주요한 문제들에 대하여 기술한다. 준속도, 다중 표준 구조들이 채택되고 있는 추세에 따라, 기존의 클라킹 방법은 낮은 비용의 구현의 관점에서 새로운 혁신을 필요로 한다. LC 공진기를 대신하여 능동 소자 발진기를 사용한 주파수 합성에 대하여 알아보고, 이에 발생하는 두가지 주요 문제점과 각각에 대한 해결 방안을 탐색한다. 각 제안 방법을 프로토타입 칩을 통해 그 효용성을 검증하고, 이어서 능동 소자 발진기가 미래의 고속 시리얼 링크의 클락킹에 사용될 가능성에 대해 검토한다. 첫번째 시연으로써, 고주파 고리 발진기의 높은 플리커 잡음을 완화시키기 위해 기준 신호를 배수화하여 뒷단의 위상 고정 루프의 대역폭을 효과적으로 극대화 시키는 회로 기술을 제안한다. 본 기술은 지터를 누적 시키지 않으며 따라서 깨끗한 중간 주파수 클락을 생성시켜 위상 고정 루프와 함께 높은 성능의 고주파 클락을 합성한다. 기준 신호를 성공적으로 배수화하기 위한 타이밍 조건들을 먼저 분석하여 타이밍 오류를 제거하기 위한 방법론을 파악한다. 각 교정 중량은 연역적 확률을 기반으로한 LMS 알고리즘을 통해 갱신되도록 설계된다. 교정에 필요한 시간을 최소화 하기 위하여, 각 교정 이득은 타이밍 오류 근원들의 크기를 귀납적으로 추론한 값을 바탕으로 지속적으로 제어된다. 40-nm CMOS 공정으로 구현된 프로토타입 칩의 측정을 통해 저소음, 고주파 클락을 빠른 교정 시간안에 합성해 냄을 확인하였다. 이는 177/223 fs의 rms 지터를 가지는 8/16 GHz의 클락을 출력한다. 두번째 시연으로써, 고리 발진기의 높은 전원 노이즈 의존성을 완화시키는 기술이 포함된 주파수 합성기가 설계되었다. 이는 고리 발진기의 전압 헤드룸을 보존함으로서 고주파 발진을 가능하게 한다. 나아가, 전원 노이즈 감소 성능은 공정, 전압, 온도 변동에 대하여 민감하지 않으며, 따라서 추가적인 교정 회로를 필요로 하지 않는다. 마지막으로, 위상 노이즈에 대한 포괄적 분석과 회로 최적화를 통하여 주파수 합성기의 저잡음 출력을 방해하지 않는 방법을 고안하였다. 해당 프로토타입 칩은 40-nm CMOS 공정으로 구현되었으며, 전원 노이즈가 인가되지 않은 상태에서 289 fs의 rms 지터를 가지는 8 GHz의 클락을 출력한다. 또한, 20 mVrms의 전원 노이즈가 인가되었을 때에 유도되는 지터의 양을 -23.8 dB 만큼 줄이는 것을 확인하였다.