105
6(5'(6 75$16&(,9(5 '(6,*1 )25 08/7,&25( &20081,&$7,21 $ 7KHVLV 3UHVHQWHG WR WKH )DFXOW\ 2I 1LOH 8QLYHUVLW\ ,Q 3DUWLDO )XOILOOPHQW RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI 6FLHQFH LQ 0LFURHOHFWURQLFV 6\VWHP 'HVLJQ %\ 6DOO\ 6DIZDW 0RDZDG $PLQ $XJXVW

RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

6(5'(6�75$16&(,9(5�'(6,*1�)25�

08/7,&25(�&20081,&$7,21�

�$�7KHVLV�3UHVHQWHG�WR�WKH�)DFXOW\�

2I��1LOH�8QLYHUVLW\�

������

,Q�3DUWLDO�)XOILOOPHQW�RI�WKH�5HTXLUHPHQWV�IRU�WKH�'HJUHH�

RI�0DVWHU�RI�6FLHQFH�����������������������LQ�0LFUR�HOHFWURQLFV�6\VWHP�'HVLJQ�

�������

�������

�%\�

6DOO\�6DIZDW�0RDZDG�$PLQ�$XJXVW������

��

Page 2: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

��

�&(57,),&$7,21�2)�$33529$/�

6(5'(6�75$16&(,9(5�'(6,*1�)25�

�08/7,&25(�&20081,&$7,21�

E\�

6DOO\�6DIZDW�0RDZDG�$PLQ�

BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB� � BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB�'U�<HKHD�,VPDLO� ������������������� � � � 'DWH�$VVRFLDWH�3URIHVVRU�DW�1LOH�8QLYHUVLW\���BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB� � BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB�'U�0DJHG�*KRQHLPD� ������������������� � � 'DWH�$VVLVWDQW�3URIHVVRU�DW�1LOH�8QLYHUVLW\���BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB� � ������������BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB�'U�+DQL�)LNU\�5DJDL� � � � � 'DWH�3URIHVVRU�DW�$LQ�6KDPV�8QLYHUVLW\�

Page 3: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

��

��������

6DOO\�6DIZDW�0RDZDG�$PLQ�

$//�5,*+76�5(6(59('

Page 4: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

LY��

Dedication

To Mum and Dad

Page 5: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

Y��

Acknowledgment

,W�LV�D�SOHDVXUH�WR�WKDQN�WKRVH�ZKR�PDGH�WKLV�WKHVLV�SRVVLEOH���

)LUVW��,�ZRXOG�OLNH�WR�H[SUHVV�P\�JUDWLWXGH�WR�P\�SURIRXQG�DGYLVRU�3URI��<HKHD�,VPDLO�IRU�KLV�

H[SHUW� DGYLFH� DQG� FULWLFLVP�� ,� DP� JUDWHIXO� WR� KLP� IRU� DOO� WKH� HIIRUWV� KH� KDV� PDGH� WR� KHOS� PH�

FRPSOHWH�P\�ILUVW�SDSHU�IURP�ZKLFK�WKLV�WKHVLV�VWDUWHG���

,� ZRXOG� OLNH� WR� WKDQN� P\� FR�DGYLVRU�� 'U�� 0DJHG� *KRQHLPD�� ZKR� KDV� KHOSHG� PH� LQ� WKH�

FRPSOHWLRQ� RI� WKLV� WKHVLV�� +H� UHDG� P\� GUDIWV� ZLWK� LQFUHGLEOH� VWULFWQHVV� DQG� FDUHIXOQHVV�� +LV�

UHYLHZ�DQG�HGLWV�ZHUH�LPSRUWDQW�IRU�WKLV�WKHVLV�WR�DFKLHYH�LWV�SUHVHQW�HQG��

0\� VSHFLDO� WKDQNV� JR� WR� P\� FROOHDJXH� (]]� (O�'LQ� +XVVHLQ� ZKR� KDV� SDUWLFLSDWHG� LQ� P\�

UHVHDUFK�ZRUN�DQG�KDV�LQYDOXDEOH�FRQWULEXWLRQ�WR�P\�WKHVLV��$�VSHFLDO�ZRUG�RI�WKDQNV�PXVW�JR�WR�

$PU�(O�6KHULI�IRU�KLV�&$'�WRROV�VXSSRUW�DQG�KLV�SDWLHQFH�WR�VROYH�WRROV�SUREOHPV��ZKLFK�ZHUH�

WKH�PDLQ�UHDVRQ�IRU�KDYLQJ�UHVXOWV��,�ZRXOG�OLNH�WR�WKDQN�P\�FROOHDJXH�$PU�/RWI\�IRU�KHOSLQJ�PH�

LQ�XQGHUVWDQGLQJ�WKH�EDVLF�FRQFHSW�RI�DOO�GLJLWDO�3//V�IURP�ZKLFK�,�VWDUWHG�P\�LQQRYDWLRQ��

,� ZLVK� WR� WKDQN� P\� UHVSHFWDEOH� DFDGHPLF� 3URIHVVRU� 5DILN� *XLQLGL�� IRU� KLV� YDOXDEOH�

LQVWUXFWLRQV�DQG�VXJJHVWLRQV�LQ�WKH�0LFURHOHFWURQLFV�6\VWHP�'HVLJQ��06'��PDVWHU�SURJUDP��

,�DP�LQGHEWHG�WR�DOO�P\�FROOHDJXHV�DW�1DQR�HOHFWURQLFV�,QWHJUDWHG�6\VWHP�&HQWHU��1,6&���7KH�

IULHQGO\� HQYLURQPHQW� WKH\� KDYH� FUHDWHG� HQFRXUDJHG� PH� WR� ZRUN� LQ� WKH� /DE� DQG� PDGH� WKH�

H[SHULHQFH�HQMR\DEOH��

$ERYH�DOO��,�RZH�P\�GHHSHVW�JUDWLWXGH�WR�P\�0RWKHU�DQG�)DWKHU��IRU�DOZD\V�EHLQJ�VXSSRUWLYH�

RI�P\�DFDGHPLF�FKRLFHV��HYHQ�WKRXJK�LW�PHDQW�PRUH�VWUHVV�DQG�ZRUULHV�IRU�WKHP���

Page 6: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

YL��

Table of Contents

'HGLFDWLRQ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������LY�

$FNQRZOHGJPHQW������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������Y�

/LVW�RI�7DEOHV�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������L[�

/LVW�RI�)LJXUHV�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������[�

/LVW�RI�$EEUHYLDWLRQV����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������[Y�

$EVWUDFW������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������[YL�

&KDSWHU����,QWURGXFWLRQ�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 0RWLYDWLRQ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 6\VWHP�LQ�3DFNDJH��6L3�������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 3DUDOOHO�YV��6HULDO�2Q�&KLS�&RPPXQLFDWLRQ������������������������������������������������������������������������

����� 7KHVLV�2UJDQL]DWLRQ�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

&KDSWHU����2Q�&KLS�6HU'HV�7UDQVFHLYHU�$UFKLWHFWXUHV�DQG�6LJQDOLQJ�6FKHPHV�������������������������������

����� ,QWURGXFWLRQ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 6LJQDOLQJ�6FKHPHV���������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 7UDQVPLVVLRQ�/LQH����������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������� 7UDQVPLVVLRQ�/LQH�0DWFKLQJ�7HFKQLTXHV��������������������������������������������������������������������

����� 3URSRVHG�6HU'HV�7UDQVFHLYHU�$UFKLWHFWXUHV�����������������������������������������������������������������������

������� 6FKHPH����&RQYHQWLRQDO�7ZR�/HYHO�&RGH������������������������������������������������������������������

Page 7: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

YLL��

������� 6FKHPH����7KUHH�/HYHO�FRGH�ZLWK�&RQVWDQW�'&���������������������������������������������������������

������� 6FKHPH����7KUHH�OHYHO�&RGH����������������������������������������������������������������������������������������

����� &DOLEUDWLRQ�7HFKQLTXH�$SSOLHG�WR�6FKHPH���DQG�6FKHPH�������������������������������������������������

����� $�&RPSDULVRQ�EHWZHHQ�WKH�7KUHH�'LVFXVVHG�6LJQDOLQJ�6FKHPHV��������������������������������������

����� 6LPXODWLRQ�5HVXOWV��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������� 6FKHPH���6LPXODWLRQ�5HVXOWV��������������������������������������������������������������������������������������

������� 6FKHPH���6LPXODWLRQ�5HVXOWV��������������������������������������������������������������������������������������

����� /D\RXW���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 'HVLJQ�&RPSDULVRQ�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

&KDSWHU����$OO�'LJLWDO�3KDVH�/RFNHG�/RRS����������������������������������������������������������������������������������������

����� ,QWURGXFWLRQ�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 0RWLYDWLRQ�IRU�$OO�'LJLWDO�3//V�����������������������������������������������������������������������������������������

������� $QDORJ�3//�YV��'LJLWDO�3//V��������������������������������������������������������������������������������������

������� 7DUJHW�$SSOLFDWLRQ�5HTXLUHPHQWV��������������������������������������������������������������������������������

����� %DQJ�%DQJ�$'3//�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������� 3URSRVHG�%%$'3//�$UFKLWHFWXUH������������������������������������������������������������������������������

������� %%$'3//�%XLOGLQJ�%ORFNV����������������������������������������������������������������������������������������

������� 'LJLWDO�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU��'&2����������������������������������������������������������������������������

������� )UHTXHQF\�$FTXLVLWLRQ�/RRS���������������������������������������������������������������������������������������

������� 3KDVH�/RRS�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 8: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

YLLL��

������� 3URSRVHG�%%$'3//�0RGHO����������������������������������������������������������������������������������������

����� 6LPXODWLRQ�5HVXOWV��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������� '&2�)UHTXHQF\�&XUYHV�DQG�7KH�(TXLYDOHQW�3RZHU�&RQVXPSWLRQ�����������������������������

������� $'3//�&ORVHG�/RRS�6LPXODWLRQ�5HVXOWV��������������������������������������������������������������������

����� /D\RXW���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������� )XOO�&XVWRP�%ORFNV�����������������������������������������������������������������������������������������������������

������� 'LJLWDO�%ORFNV��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� 'HVLJQ�&RPSDULVRQ�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

&KDSWHU����6XPPDU\�DQG�)XWXUH�:RUN����������������������������������������������������������������������������������������������

����� 6XPPDU\�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� &RQFOXVLRQ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����� )XWXUH�:RUN������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

5HIHUHQFHV������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 9: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

L[��

List of Tables

7DEOH������'LIIHUHQW�VWDWHV�RI�FORFN�DQG�GDWD�DUH�LQGLFDWHG�E\�83�DQG�'1�VLJQDOV����������������������������

7DEOH������'HVLJQ�SDUDPHWHUV�RI�VFKHPH���WUDQVPLVVLRQ�OLQH�������������������������������������������������������������

7DEOH������'HVLJQ�SDUDPHWHUV�RI�VFKHPH���WUDQVPLVVLRQ�OLQH�������������������������������������������������������������

7DEOH������3RZHU�&RQVXPSWLRQ�RI�VFKHPH���FRPSRQQHQWV�LQ�W\SLFDO�FRQGLWLRQV�SUHOD\RXW��������������

7DEOH������3RZHU�&RQVXPSWLRQ�RI�VFKHPH���FRPSRQHQWV�LQ�W\SLFDO�FRQGLWLRQV��������������������������������

7DEOH������'HVLJQ�FRPSDULVRQ�RI�WKH�SURSRVHG�VLJQDOLQJ�WHFKQLTXHV�ZLWK�RWKHU�ZRUN�LQ�SXEOLVKHG�

OLWHUDWXUH���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

7DEOH������6HU'HV�WUDQVFHLYHU�IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HU�UHTXLUHPHQWV���������������������������������������������������

7DEOH������7KUHH�VWDWHV�RI�WKH�FRXQWHU�������������������������������������������������������������������������������������������������

7DEOH� ����� ([DPSOH� LOOXVWUDWHV� WKH� RSHUDWLRQ� RI� �VW� RUGHU� Ȉǻ� PRGXODWRUZLWK� IUDFWLRQDO� ELWV�

���� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

7DEOH� ����� ([DPSOH� LOOXVWUDWHV� WKH� RSHUDWLRQ� RI� �VW� RUGHU� Ȉǻ� PRGXODWRUZLWK� IUDFWLRQDO� ELWV�

���� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

7DEOH������7KH�FORVHG�ORRS�VLPXODWLRQ�UHVXOWV�DW�����DQG���*+]�������������������������������������������������������

7DEOH������'HVLJQ�FRPSDULVRQ�RI�WKH�SURSRVHG�%%$'3//�ZLWK�RWKHU�ZRUN�LQ�SXEOLVKHG�OLWHUDWXUH

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 10: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[��

List of Figures

)LJXUH������7KH�UHODWLYH�GHOD\�RI�WKH�WUDQVLVWRU��ORFDO��DQG�JOREDO�LQWHUFRQQHFW�ZLUHV�SORWWHG�YHUVXV�

SURFHVV�WHFKQRORJ\��>�@������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������0RRUHV�JDS��JDS�EHWZHHQ�WKH�SHUIRUPDQFH�DQG�WKH�QXPEHU�RI�WUDQVLVWRUV����������������������

)LJXUH�������'�,&V�PXOWLOD\HU�FRQQHFWHG�769��>�@�������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������3DUDOOHO�EDVHG�FRPPXQLFDWLRQ�������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH� ������0DLQ�IXQFWLRQDO�EORFNV�RI�6HU'HV�WUDQVFHLYHU��LW�FRQVLVWV�RI�6HULDOL]HU��GULYHU�DW�WKH�

WUDQVPLWWHU�DQG�EXIIHU���GHVHULDOL]HU�DW�WKH�UHFHLYHU�����������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������6FKHPH����FRQYHQWLRQDO�WZR�OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH��������������������������������������������������������

)LJXUH������6FKHPH����WKUHH�OHYHO�'&�SUHVHUYLQJ�VLJQDOLQJ�VFKHPH���������������������������������������������������

)LJXUH������6FKHPH����WKUHH�OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH���������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������7UDQVPLVVLRQ�OLQH�HTXLYDOHQW���������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������&URVV�VHFWLRQ�RI�VLQJOH�HQGHG�WUDQVPLVVLRQ�OLQH���������������������������������������������������������������

)LJXUH������&URVV�VHFWLRQ�RI�GLIIHUHQWLDO�HQGHG�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�������������������������������������������������������

)LJXUH������6HU'HV�WUDQVFHLYHU�DUFKLWHFWXUH�VFKHPH��������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������3URSRVHG�����HQFRGHU�������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������&RQYHQWLRQDO�VKLIW�UHJLVWHU�W\SH�6HULDOL]HU��>��@�������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6HULDOL]HU�EORFN�GLDJUDP�������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'HVHULDOL]HU�EORFN�GLDJUDP���������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'HVHULDOL]HU�ZDYHIRUPV��������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������(\H�GLDJUDP�RI�WKH�GDWD��WKH�<�D[LV�LV�WKH�YROWDJH�DQG�WKH�;�D[LV�LV�WKH�WLPH���������������

)LJXUH�������&RQYHQWLRQDO�FKDUJH�SXPS�EDVHG�&'5�������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������3URSRVHG�&'5�EORFN�GLDJUDP����������������������������������������������������������������������������������������

Page 11: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[L��

)LJXUH�������/LQHDU�3KDVH�'HWHFWRU���6FKHPDWLF�DQG�7UDQVIHU�IXQFWLRQ��>��@�������������������������������������

)LJXUH�������%DQJ�%DQJ�3KDVH�'HWHFWRU���6FKHPDWLF�DQG�7UDQVIHU�IXQFWLRQ��>��@������������������������������

)LJXUH�������3URSRVHG�KDOI�UDWH�%%3'�����������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'DWD�VDPSOHG�E\�WKH�FORFN�DW���VWDWHV�����������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'&2��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'&2�WXQLQJ�FXUYHV���������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH� ����� 6HU'HV� WUDQVFHLYHU� DUFKLWHFWXUH� IRU� �� OHYHO� VLJQDOLQJ� SUHVHUYLQJ� WKH� '&� OHYHO� LQ�

VFKHPH����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6FKHPH����7KUHH�OHYHO�(QFRGHU�DQG�GULYHU��������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������7KH�HQFRGHU�LQWHUQDO�VLJQDOV�DQG�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LQSXW�RXWSXW�VLJQDOV�����������������

)LJXUH�������6FKHPH����VRXUFH�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�LV�XVHG���������������������������������������������������������������

)LJXUH�������FURVV�VHFWLRQ�RI�GLIIHUHQWLDO�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�DQG�GHVLJQ�SDUDPHWHUV�RI�VFKHPH���������

)LJXUH�������/RZ�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�LQYHUWHUV�FRQYHUW�WKH�WKUHH�OHYHO�VLJQDOV�WR�WZR�OHYHO�VLJQDO�

A DQG�B�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH� ������ A� DQG� B� DUH� WKH� RXWSXW� VLJQDOV� RI� WKH� ORZ� VZLWFKLQJ� WKUHVKROG� LQYHUWHUV�� � “0”�

UHSUHVHQWHG�E\�D�SXOVH�RQ�$�IROORZHG�E\�D�SXOVH�RQ�%��ZKLOH�“1”��UHSUHVHQWHG�E\�D�SXOVH�RQ�B�

IROORZHG�E\�D�SXOVH�RQ�A��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������3KDVH�'HWHFWRU����������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6LPSOH�3KDVH�GHWHFWRU�H[WUDFW�WKH�FORFN�DQG�UHFRYHU�WKH�GDWD����������������������������������������

)LJXUH�������6FKHPH���6HU'HV�WUDQVFHLYHU�DUFKLWHFWXUH�IRU���OHYHO�VLJQDOLQJ������������������������������������

)LJXUH�������6FKHPH����7KUHH�OHYHO�(QFRGHU�DQG�GULYHU��������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6FKHPH���WUDQVPLVVLRQ�OLQH�WHUPLQDWLRQ�UHVLVWDQFH�FRQQHFWHG�WR�9''���VRXUFH�UDWKHU�

WKDQ�JURXQG����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 12: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[LL��

)LJXUH�������FURVV�VHFWLRQ�RI�VLQJOH�HQGHG�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6FKHPH����WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�WKH�LQSXW�DQG�RXWSXW�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�����������������

)LJXUH�������6FKHPH���VLPSOH�GHWHFWRU�����������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH� ������'HWHFWRU�DW� WKH� UHFHLYHU�GHWHFWV� WKH��� OHYHO�FRGH��H[WUDFW� WKH�FORFN�DQG� UHFRYHU� WKH�

GDWD�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������&DOLEUDWHG�ORZ�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�LQYHUWHU�������������������������������������������������������������������

)LJXUH��������&DOLEUDWHG�KLJK�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�LQYHUWHU����������������������������������������������������������������

)LJXUH�������(\H�GLDJUDP�RI�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�WKH�LQSXW�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH���������������������

)LJXUH�������(\H�GLDJUDP�RI�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�WKH�RXWSXW�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�������������������

)LJXUH�������(\H�GLDJUDP�RI�WKH�H[WUDFWHG�FORFN�IURP�WKH�SKDVH�GHWHFWRU������������������������������������������

)LJXUH�������(\H�GLDJUDP�RI�WKH�UHFRYHUHG�GDWD�IURP�WKH�SKDVH�GHWHFWRU������������������������������������������

)LJXUH�������6HULDOL]HU�OD\RXW��������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'HVHULDOL]HU�/D\RXW��������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������7KH�FRQYHQWLRQDO�EORFN�GLDJUDP�RI�3//�EDVHG�IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HU����������������������������

)LJXUH������-LWWHU�LQ�WLPH�GRPDLQ�WUDQVODWHG�WR�SKDVH�QRLVH�LQ�IUHTXHQF\�GRPDLQ������������������������������

)LJXUH������%ORFN�GLDJUDP�RI�FKDUJH�SXPS�EDVHG�3//����������������������������������������������������������������������

)LJXUH������7KH��EORFN�GLDJUDP�RI�'LJLWDO�3//����������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������%ORFN�GLDJUDP�RI�EDQJ�EDQJ�$'3//������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������$UFKLWHFWXUH�RI�WKH�SURSRVHG�%%$'3//��LW�FRQVLVWV�PDLQO\�RI�IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ�

ORRS�DQG�SKDVH�ORRS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������'HWDLOHG�%ORFN�GLDJUDP�RI�WKH�SURSRVHG�%%$'3//�������������������������������������������������������

)LJXUH������%ORFN�GLDJUDP�RI�WKH�SURSRVHG�'&2�������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH������'&2�FHOO�VFKHPDWLF����������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 13: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[LLL��

)LJXUH� ������ 3RVW�OD\RXW� VLPXODWLRQ� UHVXOWV� VKRZLQJ� WKH� RXWSXW� IUHTXHQF\� FXUYHV� IRU� GLIIHUHQW�

FRDUVH�DQG�ILQH�ZRUGV������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������%ORFN�GLDJUDP�RI�WKH�IUHTXHQF\�GHWHFWRU�����������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������)UHTXHQF\�GHWHFWRU�V\QFKURQL]HU�XVHG�WR�UHVROYH�PHWDVWDELOLW\��DQG�UHGXFH�WKH�SHULRG�

RI�XQGHILQHG�VWDWH�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH� ������ &RQWURO� VLJQDOV� RI� WKH� FRXQWHU�� µUHVHW¶� DQG� µHQDEOH¶� VLJQDOV�� FRXQWHU� VWDWXV� DQG�

FRPSDUDWRU�RXWSXW������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������6WDWH�PDFKLQH�RI�WKH�ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP����������������������������������������������������������������

)LJXUH��������D��6LQJOH�IOLS�IORS�DFW�DV�ELQDU\�SKDVH�GHWHFWRU��E��2XWSXW�WUDQVIHU�IXQFWLRQ�RI�%3'

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'LYLGH�E\�ILYH��IUHTXHQF\�SUHVFDOHU�������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'&2�GLWKHULQJ�E\�FKDQJLQJ�WKH�ILQH�ELWV�DW�KLJK�UDWH�����������������������������������������������������

)LJXUH�������%ORFN�GLDJUDP�RI�Ȉǻ�PRGXODWRU��LW�FRQVLVWV�RI�DGGHU�DQG�'�))V�����������������������������������

)LJXUH�������%ORFN�GLDJUDP�RI�WKH�GLJLWDO�ORRS�ILOWHU��������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������%%$'3//�0RGHO����������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������SKDVH�HUURU�WUDQVLHQW�UHVSRQVH�IRU�FRDUVH�ZRUG ����D��ȕ ���E��ȕ ��������������������������������

)LJXUH�������7KH�HIIHFW�RI�LQFUHDVLQJ�ȕ�RQ�WKH�RXWSXW�506�MLWWHU�������������������������������������������������������

)LJXUH�������(IIHFW�RI�ȕ�RQ�ORRS�VWDELOLW\�IRU�FRDUVH�ZRUG ���������������������������������������������������������������

)LJXUH�������(IIHFW�RI�ȕ�RQ�ORRS�VWDELOLW\�IRU�FRDUVH�ZRUG ���������������������������������������������������������������

)LJXUH�������7KH�HIIHFW�RI�FKDQJLQJ�Į�RQ�WKH�RXWSXW�SKDVH�WUDQVLHQW�UHVSRQVH�IRU�FRDUVH�ZRUG ���

ȕ ����D��Į �������E��Į ����F��Į ��������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH��������'&2�RXWSXW�IUHTXHQF\�FXUYHV�DQG�SRZHU�FRQVXPSWLRQ�IRU�GLIIHUHQW�FRDUVH�DQG�ILQH�

ZRUGV�DFURVV�397������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 14: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[LY��

)LJXUH�������&ORVHG�ORRS�SRVW�OD\RXW�VLPXODWLRQV�IRU�%%$'3//������������������������������������������������������

)LJXUH�������$'3//�)ORRUSODQ�����������������������������������������������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������'&2�DQG�GLYLGH�E\�ILYH�IXOO�FXVWRP�OD\RXW�������������������������������������������������������������������

)LJXUH�������$'3//�GLJLWDO�EORFNV�IORRU�SODQ�VQDSVKRW�IURP�6R&�HQFRXQWHU�����������������������������������

)LJXUH�������$'3//�GLJLWDO�EORFNV�/D\RXW����������������������������������������������������������������������������������������

Page 15: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[Y��

List of Abbreviations

$'&'5� �

$'3//�

%%$'3//�

%%3'�

%3'�

&'5�

&33//�

'&2�

'(7))�

')(�

'/)�

))(�

3'�

3//�

6HU'HV�

6L3�

6R&�

7'&�

769�

9&2�

$OO�'LJLWDO�&ORFN�DQG�'DWD�5HFRYHU\�

$OO�'LJLWDO�3KDVH�/RFNHG�/RRS�

%DQJ�%DQJ�$OO�'LJLWDO�3KDVH�/RFNHG�/RRS�

%DQJ�%DQJ�3KDVH�'HWHFWRU�

%LQDU\�3KDVH�'HWHFWRU�

&ORFN�DQG�'DWD�5HFRYHU\�

&KDUJH�3XPS�3KDVH�/RFNHG�/RRS�

'LJLWDO�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU�

'RXEOH�(GJH�7ULJJHU�)OLS�)ORS��

'HFLVLRQ�)HHGEDFN�(TXDOL]HU�

'LJLWDO�/RRS�)LOWHU�

)HHG�)RUZDUG�(TXDOL]HU�

3KDVH�'HWHFWRU�

3KDVH�/RFNHG�/RRS�

6HULDOL]HU�DQG�'HVHULDOL]HU�

6\VWHP�LQ�3DFNDJH�

6\VWHP�RQ�&KLS�

7LPH�WR�'LJLWDO�&RQYHUWHU�

7KURXJK�6LOLFRQ�9LD�

9ROWDJH�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU�

Page 16: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[YL��

Abstract

\VWHP�LQ�SDFNDJH��6L3��LV�D�WHFKQRORJ\�LQYROYLQJ�PXOWL�FRUH�LQWHJUDWLRQ�LQ��'�,&V��6L3�KDV�

HYROYHG�DV�DQ�DWWUDFWLYH�DOWHUQDWLYH�WR�V\VWHP�RQ�FKLS��6R&���7KUHH�GLPHQVLRQDO�,&V�GR�QRW�

RQO\�DOORZ�PRUH�FRUHV�WR�EH�LQWHJUDWHG�RQ�D�VLQJOH�FKLS��EXW�DOVR�SURYLGH�SRWHQWLDO�SHUIRUPDQFH�

DGYDQFHV��EHFDXVH�HDFK�FRUH�FDQ�EH�FRQQHFWHG�WR�D� ODUJHU�QXPEHU�RI�DGMDFHQW�FRUHV��6L3�RIIHUV�

WKH� RSSRUWXQLW\� WR� VWDFN� DGMDFHQW� FRUHV� RQ� DGMDFHQW� OD\HUV� DQG� FRQQHFWV� WKHP� YHUWLFDOO\��

7KHUHIRUH��ORQJ�LQWHUFRQQHFWV�LQ��'�,&V�DUH�UHSODFHG�E\�D�VKRUWHU�VHW�RI�LQWHUFRQQHFWV�LQ�DGGLWLRQ�

WR�YHUWLFDO�WKURXJK�VLOLFRQ�YLD��769��LQWHUFRQQHFWV�LQ��'�,&V��+RZHYHU���'�,&V�VWLOO�VXIIHU�IURP�

ZLULQJ� FRPSOH[LW\� DQG� URXWLQJ� FRQJHVWLRQ� GXH� WR� WKH� SDUDOOHO� EXVHV� FRQQHFWLQJ� KXQGUHGV� RI�

PRGXOHV��0RUHRYHU���'�,&V�VXIIHU�IURP�WKH�LQFUHDVH�LQ�WKH�SRZHU�GHQVLW\�UHVXOWLQJ�IURP�VWDFNLQJ�

FRUHV�RQ�WRS�RI�HDFK�RWKHU��7KH�LQFUHDVH�LQ�WKH�SRZHU�GHQVLW\�UHVXOWV�LQ�KLJK�SHDN�WHPSHUDWXUHV��

ZKLFK� FDQ� FDXVH� ,&� IDLOXUH�� $FFRUGLQJ� WR� WKH� DERYH� VFHQDULR�� FRQYHQWLRQDO� SDUDOOHO� EXV�

FRPPXQLFDWLRQ�VFKHPHV�DUH�QR� ORQJHU�VXLWDEOH� LQ� WHUPV�RI�DUHD��SRZHU��DQG�SHUIRUPDQFH��2QH�

SURPLVLQJ� VROXWLRQ� LV� WR� UHSODFH� WKH� SDUDOOHO� EXV� E\� D� VHULDO� OLQN� ZLWK� VHULDOL]DWLRQ� DQG�

GHVHULDOL]DWLRQ��6HU'HV��WUDQVFHLYHU�LQ��'�DQG��'�,&V���

6HULDO�OLQNV�KDYH�EHHQ�XVHG�IRU�GHFDGHV�LQ�RII�FKLS�FRPPXQLFDWLRQ�EHWZHHQ�,&V��GXH�WR�WKH�

OLPLWHG� QXPEHU� RI� ,�2� SLQV�� $� VLPLODU� SUREOHP� H[LVWV� IRU� RQ�FKLS� FRPPXQLFDWLRQ� LQ� FXUUHQW�

GHVLJQV�GXH�WR�WKH�OLPLWHG�QXPEHU�RI�PHWDO�WUDFNV�DQG�RWKHU�WLPLQJ�HUURUV�GXH�WR�VNHZ�DQG�MLWWHUV�

RQ�SDUDOOHO�EXVHV�WKDW�PDNH�WKH�V\QFKURQL]DWLRQ�DW�WKH�UHFHLYHU�GLIILFXOW�DQG�OLPLWV�WKH�EDQGZLGWK��

+RZHYHU�� WKH�UHTXLUHPHQWV�IRU� WKH�GHVLJQ�RI� WKH�RQ�FKLS�VHULDO� OLQN�DUH�GLIIHUHQW�IURP�RII�FKLS��

7KH�RQ�FKLS�LQWHUFRQQHFWV�DUH�YHU\�ORVV\��FRPSDUHG�WR�WKH�ORVVOHVV�RII�FKLS�WUDQVPLVVLRQ�OLQHV����

7KLV� WKHVLV�SUHVHQWV� WKH�GHVLJQ�DQG�DQDO\VLV�RI� WKUHH�GLIIHUHQW�DUFKLWHFWXUHV�RI�DQ�DOO�GLJLWDO�

6�

Page 17: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

[YLL��

6HU'HV�WUDQVFHLYHU�IRU�WKUHH�GLIIHUHQW�VLJQDOLQJ�VFKHPHV��7ZR�QHZ�VLJQDOLQJ�VFKHPHV�PXOWLSOH[�

WKH�FORFN�DQG�WKH�GDWD�LQWR�D�WKUHH�OHYHO�VLJQDO��7KH�QHZ�WKUHH�OHYHO�VLJQDO�HQDEOHV�WKH�UHFHLYHU�WR�

UHFRYHU�WKH�FORFN�IURP�WKH�GDWD�XVLQJ�VLPSOH�FLUFXLWU\��7KLV�HOLPLQDWHV�WKH�QHHG�IRU�SRZHU�KXQJU\�

EORFNV�DW�WKH�UHFHLYHU��VXFK�DV�WKH�FORFN�DQG�GDWD�UHFRYHU\��&'5��DW�WKH�UHFHLYHU�RU�DQDORJ�SKDVH�

ORFNHG�ORRS��3//��DW�WKH�WUDQVPLWWHU��0RUHRYHU��WKLV�WHFKQLTXH�LV�LQVHQVLWLYH�WR�MLWWHU�DFFXPXODWHG�

GXULQJ�VLJQDO�SURSDJDWLRQ�RU�DW�WKH�UHFHLYHU�LQSXW��EHFDXVH�WKH�FORFN�VLJQDO�LV�H[WUDFWHG�IURP�WKH�

PXOWLSOH[HG�GDWD�VWUHDP��+HQFH��WLPLQJ�HUURUV�LQ�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO�ZLOO�DIIHFW�ERWK�WKH�GDWD�DQG�

WKH�H[WUDFWHG�FORFN��DQG�DFFRUGLQJO\�WKH�GDWD�ZLOO�EH�VDPSOHG�FRUUHFWO\��7KH�6HU'HV�WUDQVFHLYHUV�

IRU� WKH� WKUHH� VFKHPHV�ZHUH� LPSOHPHQWHG� IRU� D� �PP� ORQJ� ORVV\� RQ�FKLS� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LQ� D�

��QP�760&�&026� WHFKQRORJ\�� ,Q� DGGLWLRQ�� WKLV� WKHVLV� SUHVHQWV� WKH� GHVLJQ� DQG� DQDO\VLV� RI� D�

EDQJ�EDQJ�DOO�GLJLWDO�3//��ZKLFK�ZDV�XVHG�WR�SURYLGH�WKH�KLJK�IUHTXHQF\�FORFN�DW�WKH�WUDQVPLWWHU��

7KH�LPSOHPHQWDWLRQ�RI�D�EDQJ�EDQJ�DOO�GLJLWDO�SKDVH�ORFNHG�ORRS��%%$'3//��LQ�D�IUHTXHQF\�

V\QWKHVL]HU� KDV� SURYHQ� D� UHGXFWLRQ� LQ� WKH� SRZHU� DQG�� DUHD�� 7KLV� GXH� WR� WKH� HOLPLQDWLRQ� RI�

FRPSOH[��DQG�SRZHU�DQG�DUHD�KXQJU\�EORFNV��VXFK�DV�DQ�DQDORJ�WR�GLJLWDO�FRQYHUWHU��$'&��RU�D�

WLPH�WR�GLJLWDO�FRQYHUWHU��7'&���ZKLFK�LV�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH�DYHUDJH�DQDORJ�RXWSXW�RI�WKH�SKDVH�

GHWHFWRU� �3'�� WR� GLJLWDO� ELWV� IRU� WKH� GLJLWDO� FRQWUROOHG� RVFLOODWRU� �'&2��� +RZHYHU�� WKH� QRQ�

OLQHDULW\�RI� WKH�%%$'3//�PDNHV� WKH� WUDGLWLRQDO�/DSODFH� WUDQVIRUP�XVHG� LQ�PRGHOLQJ� WKH�3//�

LQYDOLG�� +HQFH�� WKHUH� DUH� D� VHULRXV� GHVLJQ� FKDOOHQJHV� LQ� PDQDJLQJ� WKH� WUDGHRIIV� EHWZHHQ� WKH�

WUDFNLQJ�EDQGZLGWK�� MLWWHU��DQG� ORFN� WLPH�� ,Q� WKLV� WKHVLV��D�QHZ�GHVLJQ�PHWKRGRORJ\� WKDW�DGMXVWV�

WKH� GLJLWDO� ORRS� ILOWHU� �'/)�� FRHIILFLHQWV� DFFRUGLQJ� WR� WKH� GLJLWDO� FRQWUROOHG� RVFLOODWRU� �'&2��

IUHTXHQF\�VWHS�LV�SUHVHQWHG��7KH�'/)�FRHIILFLHQWV�DUH�XVHG�WR�FRQWURO�WKH�FORVHG�ORRS�G\QDPLFV�

RI�WKH�3//��8VHIXO�H[SUHVVLRQV�WKDW�PRGHO�WKH�'/)�DUH�SUHVHQWHG�IRU�WKH�GHVLJQ�DQG�RSWLPL]DWLRQ�

RI�WKH�SURJUDPPDEOH�'/)�FRHIILFLHQWV���

Page 18: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

���Chapter�1�

1 Introduction 1.1. Motivation

Q� WKH� SDVW�� VFDOLQJ� UHVXOWHG� LQ� SHUIRUPDQFH� LPSURYHPHQWV�� DV�ZHOO� DV� UHGXFWLRQV� LQ� SRZHU��

DUHD��DQG�FRVW��7RGD\�VFDOLQJ�DORQH�GRHV�QRW�HQVXUH�LPSURYHPHQW�RI�DOO�IRXU�LWHPV��)LJXUH������

VKRZV�WKH�,QWHUQDWLRQDO�7HFKQRORJ\�5RDGPDS�IRU�6HPLFRQGXFWRUV��,756��SUHGLFWLRQ��>�@�IRU�WKH�

JDWH� DQG� LQWHUFRQQHFW� GHOD\� YHUVXV� WHFKQRORJ\�� $V� WHFKQRORJ\� VFDOHV�� WKH� LQWHUFRQQHFW� GHOD\�

LQFUHDVHV�� ZKLOH� WKH� JDWH� GHOD\� GHFUHDVHV�� 7KXV�� FRPSXWDWLRQDO� EORFNV� EHFRPH� IDVWHU�� EXW�

FRPPXQLFDWLRQ�EHWZHHQ� WKHVH�RQ�FKLS�EORFNV�EHFRPH�VORZHU��+HQFH�� WKH� UHTXLUHPHQWV� IRU�RQ�

FKLS�FRPPXQLFDWLRQ�OLQNV�EHFRPH�PRUH�FKDOOHQJLQJ�LQ�GHHS�VXEPLFURQ�WHFKQRORJLHV��7KHUHIRUH��

WKH� UHVHDUFK� HIIRUW� EHFRPHV� GLUHFWHG� WRZDUGV� WKH� DQDO\VLV� DQG� WKH� GHVLJQ� RI� RQ� FKLS�

FRPPXQLFDWLRQ�OLQNV��>�@���>�@��>�@���

,�

Figure 1.1 The relative delay of the transistor, local, and global interconnect wires plotted versus process technology [1]

Page 19: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

7KH�DGYDQFHPHQW�LQ�&026�WHFKQRORJ\�VFDOHV�GRZQ�WUDQVLVWRUV��DOORZLQJ�PRUH�WUDQVLVWRUV�WR�

EH�SODFHG�RQ�D�VLQJOH�FKLS��6\VWHP�RQ�FKLS��6R&��SURYLGHV�D�SDWK�IRU�FRQWLQXHG�LPSURYHPHQW�LQ�

SHUIRUPDQFH��E\�LQWHJUDWLQJ�KXQGUHGV�RU�SRVVLEO\�WKRXVDQGV�RI�FRUHV�RQ�D�VLQJOH�FKLS��+RZHYHU��

WKH�UDWH�RI�LQFUHDVH�LQ�SHUIRUPDQFH�LV�QRW�WKH�VDPH�DV�WKDW�RI�WKH�QXPEHU�RI�SURFHVVLQJ�HOHPHQWV��

DV� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ������ $� SRSXODU� H[DPSOH� RI� WKH� FKDQJH� LQ� SHUIRUPDQFH� VFDOLQJ� ZDV�

GHPRQVWUDWHG� E\� WKH� 3HQWLXP� ��� ZKLFK� ZDV� ILUVW� LPSOHPHQWHG� LQ� WKH� VDPH� WHFKQRORJ\� DV� WKH�

3HQWLXP���������PLFURQ���(YHQ�WKRXJK�WKH�3HQWLXP���KDG�����PRUH�WUDQVLVWRUV�WKDQ�WKH�3HQWLXP�

���LWV�SHUIRUPDQFH��EDVHG�RQ�WKH�63(&LQW�������ZDV�RQO\�����JUHDWHU��7KLV�VLWXDWLRQ�LQWURGXFHG�

0RRUHV�*DS�DW������DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������0RRUH¶V�*DS�LV�GHILQHG�DV�WKH�LQFUHDVLQJ�GLIIHUHQFH�

EHWZHHQ� WKH� H[SRQHQWLDOO\� JURZLQJ� QXPEHU� RI� WUDQVLVWRUV� RQ� D� VLQJOH� FKLS� DQG� WKH� GHOLYHUHG�

SHUIRUPDQFH�RI�WKH�FKLS��>�@��

Figure 1.2 Moore's gap; gap between the performance and the number of transistors

Page 20: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

1.2. System in Package (SiP)

6\VWHP� LQ� SDFNDJH� �6L3�� KDV� HYROYHG� DV� DQ� DWWUDFWLYH� DOWHUQDWLYH� WR� 6R&� IRU� HOHFWURQLFV�

LQWHJUDWLRQ� LQ� WKUHH�GLPHQVLRQDO� LQWHJUDWHG� FLUFXLWV� ��'� ,&V�� UDWKHU� WKDQ� WZR�GLPHQVLRQDO� ��'��

,&V� �>�@�� 7KUHH�GLPHQVLRQDO� ,&V� FRQVLVWV� RI� PXOWLSOH� OD\HUV� RI� DFWLYH� GHYLFHV� WKDW� KDYH� WKH�

SRWHQWLDO� WR� HQKDQFH� FKLS� SHUIRUPDQFH�� IXQFWLRQDOLW\�� DQG� GHYLFH� SDFNLQJ� GHQVLW\�� )LJXUH� �����

VKRZV�D��'�,&�FRQVLVWLQJ�RI�WKUHH�VLOLFRQ�OD\HUV�YHUWLFDOO\�FRQQHFWHG�XVLQJ�WKURXJK�VLOLFRQ�YLDV�

�769V���(DFK� OD\HU�FDQ�SRWHQWLDOO\�KDYH�PXOWLSOH�SURFHVVLQJ�FRUHV� �,3V��DQG�PHPRULHV� �0(0��

�>�@����

7KUHH�GLPHQVLRQDO� ,&V� GR� QRW� RQO\� DOORZ�PRUH� FRUHV� WR� EH� LQWHJUDWHG� RQ� D� FKLS�� EXW� DOVR�

SURYLGH�SRWHQWLDO�SHUIRUPDQFH�DGYDQFHV��EHFDXVH�HDFK�FRUH�FDQ�EH�FRQQHFWHG�WR�D�ODUJHU�QXPEHU�

RI�DGMDFHQW�FRUHV��6L3�RIIHUV�WKH�RSSRUWXQLW\�WR�YHUWLFDOO\�VWDFN�FRUHV��DQG�FRQQHFW�WKHP�YHUWLFDOO\�

UDWKHU�WKDQ�KRUL]RQWDOO\��7KHUHIRUH��ORQJ�LQWHUFRQQHFWV�LQ��'�,&V�DUH�UHSODFHG�E\�D�FRPELQDWLRQ�

RI� VKRUWHU� LQWHUFRQQHFWV� DQG� YHUWLFDO� 769V� LQ� �'� ,&V�� 7KLV� HQDEOHV� IDVWHU� DQG� PRUH� SRZHU�

HIILFLHQW� LQWHU�FRUH� FRPPXQLFDWLRQ� DFURVV� PXOWLSOH� VLOLFRQ� OD\HUV� �>�@�� 0RUHRYHU�� GDWD� WUDIILF�

EHWZHHQ� WKH� SURFHVVRU� FKLS� DQG� WKH� PHPRU\� FKLS� LQ� 6L3� ZLOO� KDYH� UHGXFHG� QRLVH� GXH� WR� WKH�

VKRUWHU�SDWK�OHQJWK�HQDEOHG�E\�6L3�WHFKQRORJ\��7KHUH�LV�D�WUHPHQGRXV�DPRXQW�RI�UHFHQW�UHVHDUFK�

HIIRUWV�GRQH�RQ��'�,&V�VXFK�DV��>�@���>�@���>��@��

Figure 1.3 3D ICs multilayer connected TSV [7]

Page 21: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

�+RZHYHU�� �'� ,&� WHFKQRORJ\� IDFHV� WKHUPDO� FKDOOHQJHV� GXH� WR� KLJKHU� SRZHU� GHQVLWLHV� DQG�

URXWLQJ�FRQJHVWLRQ�GXH�WR�WKH�GLVWULEXWLRQ�RI�769�SDGV�RQ�HDFK�OD\HU��9HUWLFDOO\�VWDFNLQJ�FRUHV�

UHVXOW�LQ�DQ�LQFUHDVH�LQ�WKH�SRZHU�GHQVLW\�DQG�SHDN�WHPSHUDWXUHV�WKDW�PD\�FDXVH�,&�EUHDNGRZQ��

7KHUPDO�SDWK�769V�ZHUH�SURSRVHG�DV�D�PHDQ�WR�GLVVLSDWH�KHDW�IURP�WKH�FRUH�RI�WKH�FKLS�WR�WKH�

KHDW�VLQN��DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������6HULDOL]DWLRQ�RI�WKH�YHUWLFDO�769V�LQ��'�,&V�FDQ�EH�FRQVLGHUHG�

D�SURPLVLQJ�VROXWLRQ�IRU�EHWWHU�WKHUPDO�GLVWULEXWLRQ��UHVXOWLQJ�LQ�ORZHU�SHDN�WHPSHUDWXUHV��DV�ZHOO�

DV�PRUH�HIILFLHQW�OD\RXW�WKDW�UHGXFHV�URXWLQJ�FRQJHVWLRQ�>�@���

1.3. Parallel vs. Serial On-Chip Communication

,Q� SDUDOOHO� FRPPXQLFDWLRQ�� WKH� SK\VLFDO� FKDQQHOV� DUH� SDUDOOHO� OLQH� EXVHV�� ZKLFK� FRQVLVW� RI�

SDUDOOHO�ZLUHV��RQH�ZLUH�IRU�HDFK�ELW�DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������(DFK�SDUDOOHO�OLQH�RSHUDWHV�DW�D�ORZ�

IUHTXHQF\�� KHQFH� WKH�ZLUHV� DUH� WUHDWHG� DV� 5&� LQWHUFRQQHFWV� UDWKHU� WKDQ� WUDQVPLVVLRQ� OLQHV� �>�@��

7KLV�UHVXOWV�LQ�D�QHHG�IRU�D�ODUJH�QXPEHU�RI�UHSHDWHUV�DORQJ�WKH�OLQHV��ZKLFK�FRQVXPH�ODUJH�SRZHU�

DQG� DUHD�� 7KHUHIRUH�� DGGLQJ�PRUH� SDUDOOHO� ZLUHV� WR� LQFUHDVH� WKH� GDWD� UDWH�PHDQV� DGGLQJ�PRUH�

UHSHDWHUV��GULYHUV��DQG�EXIIHUV�WKDW�LQFUHDVH�WKH�SRZHU�GLVVLSDWLRQ�DQG�DUHD��,Q�DGGLWLRQ��FURVVWDON�

EHWZHHQ�WKH�SDUDOOHO�ZLUHV��DV�ZHOO�DV� MLWWHU�DQG�VNHZ�RQ�WKH�WUDQVPLWWHG�SDUDOOHO�GDWD�PDNH�WKH�

V\QFKURQL]DWLRQ�DW�WKH�UHFHLYHU�PRUH�GLIILFXOW��DQG�UHGXFH�WKH�UHOLDELOLW\�RI�WKH�UHFHLYHG�GDWD��

Core1 Core2

RepeatersDriver Buffers

Figure 1.4 Parallel based communication

Page 22: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

�7KH� SUREOHPV� WKDW� UHVXOW� IURP� KDYLQJ� SDUDOOHO�EDVHG� EXVHV� LQFUHDVH� VLJQLILFDQWO\� LQ� GHHS�

VXEPLFURQ� WHFKQRORJ\�� EHFDXVH� LQWHUFRQQHFWV� GR� QRW� VFDOH� LQ� WKH� VDPH� WUHQG� DV� WUDQVLVWRUV��

+HQFH��SDUDOOHO�EXVVHV�RFFXS\�D�ODUJHU�DUHD�DV�FRPSDUHG�WR�SURFHVVLQJ�HOHPHQWV��ZKLFK�UHVXOWV�LQ�

DQ� LQFUHDVH� LQ� URXWLQJ� FRPSOH[LW\�� 7KHUHIRUH�� LW� ZLOO� EH� GLIILFXOW� WR� ERRVW� WKH� SHUIRUPDQFH� E\�

LQWHJUDWLQJ�KXQGUHGV�RI�FRUHV�RQ�D�VLQJOH�FKLS��GXH�WR�WKH�OLPLWHG�DYDLODELOLW\�RI�PHWDO�WUDFNV���

6HULDO�OLQN�EDVHG�FRPPXQLFDWLRQ�SURYLGHV�D�SURPLVLQJ�VROXWLRQ�IRU�SDUDOOHO�EXV�SUREOHPV��,Q�

VHULDO�FRPPXQLFDWLRQ��WKH�SK\VLFDO�FKDQQHO�LV�D�VLQJOH�OLQN�UHSODFLQJ�1�SDUDOOHO�ZLUHV��7KXV��WKH�

GDWD� UDWH� RI� WKH� VHULDO� OLQN� LV� 1� WLPHV� WKH� GDWD� UDWH� RI� WKH� SDUDOOHO� ZLUH� WR� SURYLGH� WKH� VDPH�

EDQGZLGWK�� 7KHUHIRUH�� VHULDO� OLQNV� RSHUDWH� DW� KLJK� IUHTXHQFLHV�� DQG� WKH\� EHKDYH� PRUH� OLNH�

WUDQVPLVVLRQ�OLQHV��7KLV�JLYHV�XV�WKH�RSSRUWXQLW\�WR�EHQHILW�IURP�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�FKDUDFWHULVWLFV�

IRU�KLJK�GDWD�UDWH�WUDQVPLVVLRQ��DQG�HOLPLQDWH�WKH�QHHG�IRU�EXON��DQG�SRZHU�KXQJU\�UHSHDWHUV��>�@���

6HULDO�OLQNV�DUH�D�YLDEOH�VROXWLRQ�WR�UHGXFH�WKH�URXWLQJ�FRPSOH[LW\��WKH�URXWLQJ�DUHD��DQG�VDYH�

PHWDO�WUDFNV�GUDPDWLFDOO\��KHQFH�RQ�FKLS�VHULDO�OLQN�GHVLJQ�LV�D�KRW�WRSLF�LQ�UHVHDUFK��7KH�GHVLJQ�

RI� 6HU'HV� WUDQVFHLYHUV� LV� YHU\� FRPSOH[� DQG� FKDOOHQJLQJ� LQ� WHUPV� RI� SRZHU�� DUHD�� DQG� GDWD�

UHOLDELOLW\��

1.4. Thesis Organization

7KLV� WKHVLV� LV� FRQVWUXFWHG� DV� IROORZLQJ�� &KDSWHU� �� SUHVHQWV� WKH� WKUHH� SURSRVHG� VLJQDOLQJ�

VFKHPHV� DQG� WKH� FRUUHVSRQGLQJ� 6HU'HV� DUFKLWHFWXUHV�� ,W� DOVR� SUHVHQWV� WKH� GHVLJQ� RI� GLIIHUHQW�

EXLOGLQJ�EORFNV�RI�WKH�6HU'HV�DUFKLWHFWXUHV��$IWHU�WKDW��D�FRPSDULVRQ�EHWZHHQ�WKH�WKUHH�GLIIHUHQW�

VFKHPHV�LV�SUHVHQWHG�WR�VKRZ�WKH�WUDGH�RIIV��&KDSWHU���SUHVHQWV�WKH�GHVLJQ�RI�WKH�EDQJ�EDQJ�DOO�

GLJLWDO�SKDVH� ORFNHG� ORRS��%%$'3//�� IRU� WKH�6HU'HV� WUDQVFHLYHU�� LWV�GLIIHUHQW�EXLOGLQJ�EORFNV�

DQG�GHVLJQ�IORZ��&KDSWHU���SUHVHQWV�D�VXPPDU\��WKH�FRQFOXVLRQV�DQG�WKH�DQWLFLSDWHG�IXWXUH�ZRUN��

Page 23: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

Chapter 2

2 On-Chip SerDes Transceiver Architectures and Signaling Schemes

2.1. Introduction

KLV� FKDSWHU� SUHVHQWV� WKH� GHVLJQ� RI� D� VHULDOL]HU� DQG� GHVHULDOL]HU� �6HU'HV�� WUDQVFHLYHU�

DUFKLWHFWXUH�IRU� WKUHH�GLIIHUHQW�VLJQDOLQJ�VFKHPHV��'XH�WR�PDQ\�OLPLWDWLRQV�� WKH�GDWD�VHQW�

RQ�SDUDOOHO�OLQH�EXVHV�VKRXOG�EH�WUDQVPLWWHG�RQ�D�VLQJOH�VHULDO�OLQN�IRU�VRPH�GLVWDQFH��$�6HU'HV�

WUDQVFHLYHU�KHOSV�VHULDOL]H�WKH�GDWD�IURP�SDUDOOHO�IRUP�WR�VHULDO�IRUP��WKHQ�GHVHULDOL]HV�WKH�GDWD�DW�

WKH� UHFHLYHU� VLGH� WR� SDUDOOHO� IRUP� DJDLQ�� 7KLV� VHULDO� OLQN� FDQ� EH� D� VLQJOH� OLQH� RU� WZR� OLQHV� LI�

GLIIHUHQWLDO� VLJQDOLQJ� LV� XVHG�� 7KH� 6HU'HV� GHVLJQ� H[DPSOH� LQ� WKLV� FKDSWHU� LQWHUIDFHV� DQ� ��ELW�

SDUDOOHO�GDWD�EXV�WR�D�VHULDO�OLQN���

�)LJXUH������VKRZV�WKH�PDLQ�IXQFWLRQDO�EORFNV�RI�D�6HU'HV�WUDQVFHLYHU�FRQQHFWLQJ�WZR�FRUHV��7KH�

WUDQVPLWWHU�FRQVLVWV�RI�D�VHULDOL]HU��ZKLFK�FRQYHUWV�WKH�SDUDOOHO�GDWD�WR�D�VHULDO�GDWD�VWUHDP��DQG�D�

GULYHU� LV� XVHG� WR� GULYH� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�� 7KH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� FDQ� EH� VLQJOH� HQGHG� RU�

7�

Core1 Core2

Deseria

lizer

TX LineDriver Buffer

Seria

lizer

Figure 2.1 Main functional blocks of SerDes transceiver; it consists of Serializer, driver at the transmitter and buffer, deserializer at the receiver

Sally Safwat
*This chapter was done in collaboration with Ezz El-Din Hussein, a graduate research assistant and master student at NISC lab, Nile University, Egypt.
Sally Safwat
Page 24: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

GLIIHUHQWLDO� GHSHQGLQJ� RQ� WKH� VLJQDOLQJ� VFKHPH�� DQG� WKH� FKRVHQ� DUFKLWHFWXUH�� 7KH� UHFHLYHU�

FRQVLVWV�RI�D�EXIIHU� WR�GULYH� WKH�UHFHLYHU�EORFNV��DQG�D�GHVHULDOL]HU� WKDW�FRQYHUWV� WKH�VHULDO�GDWD�

VWUHDP�WR�SDUDOOHO�IRUP�DW�WKH�UHFHLYHU���

$�VLJQLILFDQW�FKDOOHQJH�LQ�WKH�LPSOHPHQWDWLRQ�RI�WKH�VHULDO�OLQNV�LV�DFKLHYLQJ�D�KLJK�GDWD�UDWH�

ZLWK�PLQLPXP�SRZHU��7KLV�FKDSWHU� LQWURGXFHV� WKUHH�GLIIHUHQW� VFKHPHV�ZLWK�GLIIHUHQW� VLJQDOLQJ�

VFKHPHV�DQG�WKHLU�FRUUHVSRQGLQJ�6HU'HV�WUDQVFHLYHU�DUFKLWHFWXUH�LPSOHPHQWDWLRQV���

2.2. Signaling Schemes

,Q�WKLV�WKHVLV��WKUHH�GLIIHUHQW�VLJQDOLQJ�VFKHPHV�DUH�SUHVHQWHG�DORQJ�ZLWK�WKHLU�FRUUHVSRQGLQJ�

6HU'HV�DUFKLWHFWXUH�GHVLJQV��(DFK�VLJQDOLQJ�VFKHPH�KDV�LWV�DGYDQWDJHV�DQG�GLVDGYDQWDJHV��)LJXUH�

����� VKRZV� WKH� FRQYHQWLRQDO� WZR�OHYHO� VLJQDOLQJ� VFKHPH� QDPHG� scheme 1�� ZKHUH� HDFK� ELW� LV�

UHSUHVHQWHG�E\�D�WZR�OHYHO�V\PERO�LQ�DQ\�JLYHQ�FORFN�F\FOH��“0”�LV�UHSUHVHQWHG�E\���DQG�“1”�LV�

UHSUHVHQWHG�E\�VDD��7KLV� VFKHPH�GRHV�QRW�QHHG�D� VSHFLDO� HQFRGHU�� )LJXUH� ����� VKRZV�D� WKUHH�

OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH��QDPHG�scheme 2,�ZKLFK�SUHVHUYHV�WKH�DC�OHYHO�RI�WKH�VLJQDO��(DFK�ELW�LV�

HQFRGHG�E\�D�WKUHH�OHYHO�V\PERO�IRU�GXUDWLRQ�RI�WZR�FORFN�F\FOHV��“0”�LV�VHULDOO\�UHSUHVHQWHG�E\�

³]HUR��VDD/2��VDD��WKHQ VDD/2´��ZKLOH�D�“1”�LV�VHULDOO\�UHSUHVHQWHG�E\�³VDD��VDD/2�����WKHQ

VDD/2´��)LJXUH������VKRZV�D�WKUHH�OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH�QDPHG�scheme 3��(DFK�ELW�LV�HQFRGHG�

LQ�D�WKUHH�OHYHO�VLJQDO�IRU�GXUDWLRQ�RI�RQH�FORFN�F\FOH��“0”�LV�VHULDOO\�UHSUHVHQWHG�E\�³]HUR��WKHQ�

VDD/2´��ZKLOH�“1”�LV�VHULDOO\�UHSUHVHQWHG�E\�³VDD��WKHQ�VDD/2´�����������

Page 25: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

³�´³�´³�´ ³�´

CLK

Encoded data

Data

9''

9''Encoded data_bar

Figure 2.2 Scheme 1: conventional two-level signaling scheme

³�´ ³�´

9''

9''��

9''

9''��

CLK

Encoded data

Data

Encoded data_ bar

��

Figure 2.3 Scheme 2: three-level DC preserving signaling scheme

9''

9''��

CLK

Data ³�´³�´³�´ ³�´

Encoded data

Figure 2.4 Scheme 3: three-level signaling scheme

2.3. Transmission Line

0RGHOLQJ� RQ�FKLS� ZLUHV� GHSHQGV� RQ� WKH� RSHUDWLQJ� IUHTXHQF\�� $W� ORZ� IUHTXHQFLHV�� RQ�FKLS�

ZLUHV�DUH�WUHDWHG�DV�RC�LQWHUFRQQHFWV��ZKLOH�DW�KLJK�IUHTXHQFLHV��RQ�FKLS�ZLUHV�QHHG�WR�EH�WUHDWHG�

DV� DQ�RLC� QHWZRUN� L�H�� D� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� �>�@��6LQFH�� VHULDO� OLQNV�RSHUDWH� DW� KLJK� IUHTXHQFLHV��

WKH\�DUH�WUHDWHG�DV�WUDQVPLVVLRQ�OLQHV�DQG�DUH�PRGHOHG�DV�DQ�RLC�QHWZRUN���

6LJQDOLQJ� VFKHPHV� FDQ� KDYH� HLWKHU� D� VLQJOH�HQGHG� RU� D� GLIIHUHQWLDO� LPSOHPHQWDWLRQ�� %RWK�

IODYRUV�KDYH�WKHLU�DGYDQWDJHV�DQG�GLVDGYDQWDJHV�LQ�WHUPV�RI�DUHD��SRZHU��DQG�QRLVH��+RZHYHU��WKH�

FKRLFH� GHSHQGV� RQ� WKH� DUFKLWHFWXUH� �>��@�� 7KHUH� DUH� WZR� VLJQLILFDQW� DGYDQWDJHV� RI� XVLQJ� D�

GLIIHUHQWLDO�OLQH��)LUVW��XVLQJ�D�GLIIHUHQWLDO�OLQH�LV�LPPXQH�WR�WKH�SUREOHPV�RI�VNHZ��DQG�FURVVWDON��

6HFRQG��GLIIHUHQWLDO�VLJQDOLQJ� LPSURYHV� WKH�UHFHLYHU�VHQVLWLYLW\��HQDEOLQJ� LW�HDVLO\�GHWHFW�KLJKO\�

DWWHQXDWHG�VLJQDOV��7KXV��GLIIHUHQWLDO�VLJQDOLQJ�LV�WKH�FKRLFH�IRU�KLJK�EDQGZLGWK�VLJQDOLQJ�RQ�ORQJ�

LQWHUFRQQHFWV�� ,Q�D� WZR�OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH��VXFK�DV�VFKHPH����GLIIHUHQWLDO�VLJQDOLQJ�LV�YHU\�

Page 26: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

���

DWWUDFWLYH�GXH� WR� LWV� LPSURYHG�FRPPRQ�PRGH�QRLVH� LPPXQLW\�� DQG� WKH� HDVH�RI�GHWHFWLRQ� DW� WKH�

UHFHLYHU�XVLQJ�D�VLPSOH�GLIIHUHQWLDO�DPSOLILHU��+RZHYHU��FURVVWDON�QRLVH�FDQ�EH�EHWWHU�VXSSUHVVHG�

XVLQJ�D�VKLHOGHG�RU�ZHOO�VSDFHG�VLQJOH�HQGHG�OLQH���

�$� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LV�PRGHOHG� DV� DQ�RLC� QHWZRUN�� VXFK� WKDW�R� LV� WKH� UHVLVWDQFH� SHU� XQLW�

OHQJWK��L�LV�WKH�LQGXFWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��DQG�C�LV�WKH�FDSDFLWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��$Q�RQ�FKLS�

OLQN�VKRZQ�LQ�)LJXUH������FRQVLVWV�RI�D�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�ZLWK�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�Z0��D�GULYHU�

ZLWK�RXWSXW�LPSHGDQFH�ZS��DQG�D�ORDG�LPSHGDQFH�ZL >�@��

7KH�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�Z0 RI�D�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LV�JLYHQ�E\���

� = ඨܮඨ1ܥ +

�ܮ

�����6�

ZKHUH� WKH� YDOXHV� RI�R�� L� DQG�C� GHSHQG� JUHDWO\� RQ� WKH� WHFKQRORJ\�� DQG�PHWDO� OD\HU� XVHG� IRU�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH��7KH�YROWDJH�VHHQ�DORQJ�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�DW� WLPH� t��DQG�D�GLVWDQFH�z� IURP�

WKH�VRXUFH�ZLWK�SURSDJDWLRQ�FRQVWDQW�Ȗ�LV�JLYHQ�E\��

� ,ݖ) ݐݑ (ݐ = ,ݖ)} �{ఊ௭(ݐ �����6�

ZKHUH�Ȗ�LV�WKH�SURSDJDWLRQ�FRQVWDQW�JLYHQ�E\��

� ߛ = ξܥܮඨ1 +ܮ = ߙ + �ߚ �����6�

$&

=V

=/

=�9LQ 9RXW

9V

Figure 2.5 Transmission line equivalent

Page 27: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7KH�UHDO�SDUW�RI�Ȗ�LV�WKH�DWWHQXDWLRQ�FRQVWDQW�Į��DQG WKH�LPDJLQDU\�SDUW�RI�Ȗ�LV�WKH�SKDVH�FRQVWDQW�ȕ�

JLYHQ�E\��

� ߚ = ξߙ ,ܥܮ௦௧ =2 ඨ

ܥ�ܮ

�����6�

7KH�SKDVH�YHORFLW\�v�FDQ�EH�FDOFXODWHG�XVLQJ���

� ݒ =1

ξܥܮ� �����6�

)LJXUH� ����� DQG� )LJXUH� ����� VKRZV� WKH� FURVV� VHFWLRQ� RI� D� VLQJOH� HQGHG�� DQG� D� GLIIHUHQWLDO�

WUDQVPLVVLRQ� OLQH�� UHVSHFWLYHO\�� 7UDQVPLVVLRQ� OLQHV� VKRXOG� EH� VKLHOGHG� XVLQJ� VWDWLF� VDD� RU�

JURXQG�OLQHV�WR�UHGXFH�FRXSOLQJ�EHWZHHQ�VLJQDO�OLQHV��7KH�LQWHUFRQQHFW�ZLGWK�w�DQG�VSDFLQJ�s�DUH�

WKH�GHVLJQ�SDUDPHWHUV�WKDW�GHWHUPLQH�WKH�YDOXHV�RI�R��L��C��DQG�WKH�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�Z0�RI�

D�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��)RU�D�JLYHQ�WHFKQRORJ\��WKH�GHVLJQ�SDUDPHWHUV�w�DQG�s�DUH�FKRVHQ�EDVHG�RQ��

�WKH�RSHUDWLQJ�IUHTXHQF\��DQG�WKH�OHQJWK�RI�WKH�OLQH��7KH�FKDUDFWHULVWLFV�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�

FDQ�EH�FRQWUROOHG�E\�WXQLQJ�w�DQG�s��

'HVSLWH� WKH� IDFW� WKDW� WUDQVPLVVLRQ� OLQHV�RIIHU� WKH�SRWHQWLDO� RI� D� VSHHG�FORVH� WR� WKH� VSHHG�RI�

OLJKW� FRPPXQLFDWLRQ�� SUDFWLFDO� RQ�FKLS� WUDQVPLVVLRQ� OLQHV� DUH� IRUPHG� RI� VWDQGDUG� ORVV\� PHWDO�

OD\HUV��ZKLFK�FDXVH�GLVSHUVLRQ��DQG�OLPLW�WKH�HIIHFWLYH�EDQGZLGWK�RI�RQ�FKLS�VHULDO�OLQNV��>�@��2Q�

FKLS� WUDQVPLVVLRQ� OLQHV� KDYH� D� VHULHV� UHVLVWDQFH� WKDW� FDXVHV� WZR� SUREOHPV�� DWWHQXDWLRQ� DQG�

6KLHOG 6� 6KLHOG6 ���XP

: �XP

��� &YHUWLFDO

&KRUL]RQWDO

Figure 2.6 Cross section of single ended transmission line

6KLHOG 6� 6� 6KLHOG6 ���XP

: �XP

��� &YHUWLFDO

&KRUL]RQWDO

Figure 2.7 Cross section of differential ended transmission line

Page 28: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

GLVSHUVLRQ��6LJQDO�GLVSHUVLRQ�LV�D�PRUH�VHULRXV�SUREOHP�WKDQ�DWWHQXDWLRQ��)RU�WKH�KLJK�IUHTXHQF\�

FRPSRQHQW��WKH�LQGXFWDQFH�HIIHFW�LV�VLJQLILFDQW�DQG�WKH�OLQH�DSSHDUV�DV�D�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��KHQFH�

WKH�VLJQDO� WHQGV�WR�SURSDJDWH�ZLWK�WKH�VSHHG�RI� OLJKW��2Q�WKH�RWKHU�KDQG�� IRU� WKH�ORZ�IUHTXHQF\�

FRPSRQHQW��WKH�OLQH�DSSHDUV�DV�RC�LQWHUFRQQHFWV�DQG�WKH�VLJQDO�SURSDJDWHV�ZLWK�GLIIHUHQW�VSHHG��

'LVSHUVLRQ�LV�D�UHVXOW�RI�GLIIHUHQW�SURSDJDWLRQ�VSHHGV�EHWZHHQ�WKH�KLJK�IUHTXHQF\�FRPSRQHQW�DQG�

WKH�ORZ�IUHTXHQF\�FRPSRQHQW��7KLV�UHVXOWV� LQ�LQWHU�V\PERO�LQWHUIHUHQFH��,6,���ZKHUH�VXFFHVVLYH�

V\PEROV�FDQ�LQWHUIHUH�DW�WKH�UHFHLYHU�VLGH��

5DQGRP�GDWD� VWUHDPV�FRYHU� WKH� HQWLUH� IUHTXHQF\� VSHFWUXP��DQG� ORZ�IUHTXHQF\�FRPSRQHQWV�

ZLOO�LQWURGXFH�D�ODUJH�GLVWRUWLRQ�WR�WKH�VLJQDO��(TXDOL]DWLRQ�LV�UHTXLUHG�WR�VXSSUHVV�WKLV�GLVWRUWLRQ�

HIIHFW� HLWKHU� XVLQJ� D� )HHG�)RUZDUG� (TXDOL]HU� �))(�� DW� WKH� WUDQVPLWWHU� RU� XVLQJ� D� 'HFLVLRQ�

)HHGEDFN�(TXDOL]HU��')(��DW�WKH�UHFHLYHU��>��@��,Q�WKH�GHVLJQ�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�XVHG�LQ�WKH�

WKUHH�VFKHPHV��PDWFKLQJ�DQG�WHUPLQDWLRQ�WHFKQLTXHV�DUH�XVHG�WR�VXSSUHVV�VLJQDO�GLVSHUVLRQ�DQG�

GLVWRUWLRQ� UDWKHU� WKDQ� HTXDOL]HUV�� ZKLFK� HOLPLQDWHV� WKH� QHHG� WR� XVH� WKHVH� FRPSOH[� DQG� SRZHU�

KXQJU\�HTXDOL]HUV���

2.3.2. Transmission Line Matching Techniques

/LQH�WHUPLQDWLRQ�LV�D�FRPPRQ�WHFKQLTXH�WKDW�FDQ�EH�XVHG�WR�DFKLHYH�D�ODUJH�EDQGZLGWK��DQG�D�

UHGXFWLRQ� LQ� LQWHU� V\PERO� LQWHUIHUHQFH� RU� VLJQDO� UHIOHFWLRQV�� 7HUPLQDWLQJ� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�

ZLWK� D� UHVLVWDQFH� HTXDO� WR� WKH� FKDUDFWHULVWLF� LPSHGDQFH� SUHYHQWV� VLJQDO� UHIOHFWLRQV�� +RZHYHU��

UHIOHFWLRQV�DUH�OHVV�LPSRUWDQW�LQ�ORQJ�UHVLVWLYH�OLQHV��EHFDXVH�WKH�HQHUJ\�RI�DQ\�UHIOHFWHG�VLJQDO�LV�

GLVVLSDWHG�E\�UHVLVWLYH�ORVV���

2.3.2.1. Source Matching Technique

7KLV� PDWFKLQJ� WHFKQLTXH� LV� EDVHG� RQ� KDYLQJ� WKH� VRXUFH� LPSHGDQFH� DW� WKH� LQSXW� RI� WKH�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH�Zs�HTXDO�WR�WKH�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�RI�WKH�OLQH�Z0��7KH�PDLQ�DGYDQWDJH�RI�

Page 29: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

XVLQJ�VRXUFH�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�RYHU�RWKHU�PDWFKLQJ�WHFKQLTXHV�LV�GRXEOLQJ�WKH�DPSOLWXGH�RI�WKH�

VLJQDO�DW�WKH�LQSXW�RI�WKH�OLQH�GXH�WR�WKH�UHIOHFWHG�VLJQDO��7KLV�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�HOLPLQDWHV�WKH�

QHHG�IRU�EXON\�GULYHUV�DW�WKH�WUDQVPLWWHU��ZKLFK�FRQVXPHV�D�ORW�RI�SRZHU��,Q�WKH�VRXUFH�PDWFKLQJ�

WHFKQLTXH�� WKH� DWWHQXDWLRQ� WKDW� WDNHV� SODFH� DFURVV� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LV� FRPSHQVDWHG� E\� WKH�

DPSOLWXGH� LQFUHDVH� DW� WKH� LQSXW� RI� WKH� OLQH�� +RZHYHU�� WKLV� WHFKQLTXH� GRHV� QRW� UHGXFH� WKH�

GLVSHUVLRQ�RU�HOLPLQDWH� WKH�GLVWRUWLRQ��7KHUHIRUH�� WR�DSSO\� WKLV� WHFKQLTXH�� WKH� WUDQVPLWWHG�VLJQDO�

VKRXOG� KDYH� D� KLJK� GDWD� UDWH� ZLWK� D� FRQVWDQW� DC� WR� EHQHILW� IURP� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�

FKDUDFWHULVWLFV�DW�KLJK�IUHTXHQF\��>�@��7KLV�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�LV�DSSOLHG�WR�WKH�VLJQDOLQJ�VFKHPH�

���ZKLFK�SUHVHUYHV�WKH�DC�OHYHO�RI�WKH�WUDQVPLWWHG�GDWD��+RZHYHU��WKLV�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�OLPLWV�

WKH�PLQLPXP�WUDQVPLWWHG�GDWD�UDWH��

2.3.2.2. Resistive Termination Technique

,Q�WKLV�WHUPLQDWLRQ�WHFKQLTXH��WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LV�QRW�WHUPLQDWHG�E\�D�UHVLVWDQFH�HTXDO�WR�

WKH� FKDUDFWHULVWLF� LPSHQGHQFH�� $� UHVLVWLYH� WHUPLQDWLRQ� WHFKQLTXH� ZDV� SUHVHQWHG� LQ� �>�@�� DQG�

DSSOLHG�WR�UHGXFH�LQWHU�V\PERO�LQWHUIHUHQFH��7KH�VWHS�UHVSRQVH�RI�D�ORVV\�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�ZLWK�

OHQJWK�l�LV�JLYHQ�E\��

� ݐݑ = ఈ� �����6�

7KH�ORZ�IUHTXHQF\�FRPSRQHQWV�IDFH�D�YROWDJH�GLYLGHU�IRUPHG�EHWZHHQ�WKH�WRWDO�UHVLVWDQFH�RI�WKH�

OLQH�DQG�WKH�WHUPLQDWHG�UHVLVWDQFH�DQG�DUH�WKXV�JLYHQ�E\��

� ݐݑ =

௧௧ + � �����6�

7KHUH� LV�DQ�RSWLPXP�YDOXH�IRU�RL� WKDW�PDVNV� WKH�HIIHFW�RI� WKH�VORZ�IUHTXHQF\�FRPSRQHQW��DQG�

UHGXFHV�LQWHU�V\PERO�LQWHUIHUHQFH��7KLV�RSWLPXP�YDOXH�RI�RL�FDQ�EH�FDOFXODWHG�E\�HTXDOL]LQJ�WKH�

DC�DQG�AC�DWWHQXDWLRQ�RI�WKH�WUDQVPLWWHG�VLJQDO�DV�IROORZLQJ��

Page 30: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

� ఈ =

௧௧ + � �����6�

7KLV� PDWFKLQJ� WHFKQLTXH� GRHV� QRW� SXW� FRQVWUDLQWV� RQ� PDLQWDLQLQJ� WKH� DC� OHYHO� RI� WKH�

WUDQVPLWWHG� VLJQDO��+HQFH�� WKLV� WHUPLQDWLRQ� WHFKQLTXH� LV� DSSOLHG�RQ� VLJQDOLQJ� VFKHPHV��� DQG����

+RZHYHU��WKH�WUDQVPLWWHG�VLJQDO�VXIIHUV�IURP�KLJK�DWWHQXDWLRQ�DORQJ�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH���

2.4. Proposed SerDes Transceiver Architectures

2.4.1. Scheme 1: Conventional Two-Level Code

6LJQDOLQJ�VFKHPH����VKRZQ�LQ�)LJXUH�������LV�WKH�FRQYHQWLRQDO�WZR�OHYHO�VLJQDOLQJ�VFKHPH�LQ�

WKH�OLWHUDWXUH��>��@���>��@��)LJXUH������VKRZV�WKH�EORFN�GLDJUDP�RI�WKH�SURSRVHG�6HU'HV�DUFKLWHFWXUH�

GHVLJQHG�IRU������*ESV�GDWD�UDWH��7KLV�V\VWHP�FRQVLVWV�RI�D�WUDQVPLWWHU��UHFHLYHU��DQG�D�ORVV\�RQ�

FKLS� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�� 7KH� WUDQVPLWWHU� FRQVLVWV� RI� D� ���� HQFRGHU�� D� VHULDOL]HU�� D� GULYHU�� DQG� D�

�*+]� DOO� GLJLWDO� SKDVH� ORFNHG� ORRS� �$'3//��� $W� WKH� WUDQVPLWWHU�� D� ���� HQFRGHU� LV� XVHG� WR�

JHQHUDWH�GDWD�WUDQVLWLRQV��ZKLFK�HOLPLQDWHV�ORQJ�VWUHDPV�RI��¶V�DQG��¶V�WR�VLPSOLI\�UHFRYHU\�DW�WKH�

UHFHLYHU�XVLQJ�WKH�FORFN�DQG�GDWD�UHFRYHU\��&'5���7KH�VHULDOL]HU�RSHUDWHV�DW�KDOI�WKH�GDWD�UDWH��,W�

VHULDOL]HV�WKH�����*+]���ELW�SDUDOOHO�GDWD�LQWR���*ESV�VHULDO�GDWD�XVLQJ�D��*+]�FORFN�JHQHUDWHG�

IURP�WKH�$'3//��7KHQ��D�GULYHU�LV�XVHG�WR�GULYH�WKH�ORVV\�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��

Deseria

lizer

CDR

(7GHz)

Seria

lizer

ADPLL

(7GHz)

Transmitter Receiver

6-8

En

co

de

r

8-6

De

co

de

r

Detector

Figure 2.8 SerDes transceiver architecture scheme1

Page 31: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

�$W� WKH� UHFHLYHU� VLGH�� D� GLIIHUHQWLDO� DPSOLILHU� LV� XVHG� DV� D� GHWHFWRU� WR� GHWHFW� WKH� WZR�OHYHO�

UHFHLYHG�VLJQDO��$IWHU� WKDW�� WKH�&'5�UHFRYHUV� WKH�GDWD� IURP� WKH� LQFRPLQJ�GDWD� VWUHDP��DQG� WKH�

GHVHULDOL]HU�LV�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH���*ESV�VHULDO�GDWD�VWUHDP�LQWR�D�VWUHDP�RI���ELW�SDUDOOHO�GDWD��

7KHQ�� WKH� GHFRGHU� LV� XVHG� WR� GHFRGH� WKH� HLJKW� SDUDOOHO� ELWV� WR� VL[� SDUDOOHO� ELWV��7KH� XVH� RI� ����

HQFRGHU�UHVXOWV�LQ�DERXW�����ORVV�LQ�WKH�GDWD�UDWH��VR�WKLV�DUFKLWHFWXUH¶V�GDWD�UDWH�LV�����*ESV��

2.4.1.1. Encoder and Decoder

7KHUH�DUH�PDQ\�HQFRGLQJ�VFKHPHV�XVHG�LQ�GDWD�WUDQVPLVVLRQ��DQG�WKH�FKRLFH�RI�WKH�HQFRGLQJ�

VFKHPH�GHSHQGV�RQ�WKH�DSSOLFDWLRQ��(QFRGLQJ�FDQ�EH�XVHG�IRU�PDQ\�UHDVRQV��HUURU�GHWHFWLRQ�DQG�

FRUUHFWLRQ��SUHVHUYLQJ� WKH�'&� OHYHO�RI� WKH� VLJQDO�� UHGXFLQJ� LQWHU�V\PERO� LQWHUIHUHQFH� DORQJ� WKH�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH��RU�JHQHUDWLQJ�GDWD�WUDQVLWLRQV��'DWD�WUDQVLWLRQV�DUH�LPSRUWDQW�IRU�SURSHU�&'5�

RSHUDWLRQ�� EHFDXVH� WUDQVLWLRQV� DYRLG� WKH� ORQJ� VWUHDPV� RI� �¶V� DQG� �¶V�� ,Q� WKLV� DUFKLWHFWXUH�� WKH�

GHFRGHU�LV�GHVLJQHG�WR�JHQHUDWH�GDWD�WUDQVLWLRQ�IRU�WKH�&'5�WR�IXQFWLRQ�SURSHUO\���

�7KH�SURSRVHG�VLPSOH�����HQFRGHU�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������7KH�SURSRVHG�HQFRGHU�DGGV�D�ELW�

WR�HYHU\���ELWV��ZKHUH�WKH�IRXUWK�ELW�LV�WKH�LQYHUVLRQ�RI�WKH�WKLUG�ELW��$W�WKH�UHFHLYHU��WKH�GHFRGHU�

MXVW�WDNHV�WKH�WKUHH�ELWV�DQG�GLVFDUGV�WKH�IRXUWK�ELW��

6 bi

ts p

aral

lel d

ata

in

8 bi

ts p

aral

lel d

ata

out

Figure 2.9 Proposed 6-8 encoder

Page 32: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.2. Serializer

�7KH�VKLIW�UHJLVWHU� W\SH�VHULDOL]HU��VKRZQ�LQ�)LJXUH� ������ LV�RQH�RI� WKH�VLPSOHVW�FRQYHQWLRQDO�

VHULDOL]HU�GHVLJQV��,W�FRQVLVWV�RI�08;V�DQG�VHULDO�'�))V��7KH�'�))V�ORDG�SDUDOOHO�GDWD�ELWV�DQG�

VKLIW�WKHP�WR�RQH�VLGH�XVLQJ�D�KLJK�VSHHG�FORFN��7KH�FULWLFDO�SDWK�GHOD\�LV�RQH�08;�DQG�RQH�'�

))�GHOD\��'HVSLWH�WKH�GHVLJQ�VLPSOLFLW\�DQG�WKH�DUHD�UHGXFWLRQ�RI�WKH�VKLIW�UHJLVWHU�VHULDOL]HU��WKLV�

FRQYHQWLRQDO�DUFKLWHFWXUH�KDV� WZR�SUREOHPV��)LUVW�� WKH�PD[LPXP�FORFN� IUHTXHQF\� LV� OLPLWHG�E\�

WKH� GHOD\� RI� WKH�'�))� DQG�08;�� VR� LW� FDQ¶W� EH� XVHG� IRU� KLJK� GDWD� UDWH� WUDQVPLVVLRQ�� 6HFRQG��

RSHUDWLQJ�DOO�'))V�DW�WKH�KLJK�VSHHG�FORFN�IRU�WKH�VHULDOL]DWLRQ�LV�D�V\VWHP�RYHUKHDG��>��@���

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� EORFN� GLDJUDP� RI� WKH� SURSRVHG� VHULDOL]HU� WKDW� LV� YHU\� VLPLODU� WR� WKH�

VHULDOL]HU�SURSRVHG� LQ� �>��@��'RXEOH�HGJH�WULJJHUHG� IOLS�IORSV� �'(7))�� DUH�XVHG� WR� VHULDOL]H� WKH�

GDWD��7KH�IOLS�IORSV�ZHUH�LPSOHPHQWHG�XVLQJ�&�026��&ORFNHG�&026��UHJLVWHUV��>��@��ZKLFK�DUH�

FORFN� RYHUODS� LQVHQVLWLYH�� $OWKRXJK� WKH� SURSRVHG� VHULDOL]HU� FRQVXPHV� PRUH� DUHD� WKDQ� WKH�

FRQYHQWLRQDO�VKLIW�UHJLVWHU�W\SH��LW�FRQVXPHV�OHVV�SRZHU�DQG�FDQ�RYHUFRPH�WKH�SUHYLRXVO\�VWDWHG�

SUREOHPV�RI� WKH� FRQYHQWLRQDO� VKLIW�UHJLVWHU� W\SH��7KLV� LV� EHFDXVH� WKH� UHJLVWHUV�RSHUDWH� DW� ORZHU�

IUHTXHQFLHV� �GLYLGHG�YHUVLRQV�RI� WKH�KLJK�VSHHG� FORFN��� DQG� UHGXFH� WKH� ORDG�RQ� WKH�KLJK�VSHHG�

FORFN���

Figure 2.10 Conventional shift-register type Serializer [15]

Page 33: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.3. Deserializer

�7KH� VLPSOH� FRQYHQWLRQDO� ZD\� RI� LPSOHPHQWLQJ� D� GHVHULDOL]HU� LV� WKH� VKLIW� UHJLVWHU� EDVHG�

GHVHULDOL]HU� RSHUDWLQJ� RQ� WKH� KLJK� GDWD� UDWH��+RZHYHU�� )LJXUH� ������ DQG�)LJXUH� ������ � VKRZ� WKH�

'(7))

'(7))

'(7))

'(7))

'(7))

'(7))

'(7))

'RXW

))

)) /0

'�

'�

'�

'�

'�

'�

'�

'�

����*+] ���*+] �*+]

DETFF: Double Edge Trigger Flip FlopFF: Flip FlopL: LatchM: MUX

Figure 2.11 Serializer block diagram

))

))

/))

))

))

))

))

))

))

))

'�

'�

'�

'�

'�

'�

'�

'�

'DWD

FF: Flip FlopL: Latch

))

'BRGG

'BHYHQ

'��

'��

'��&/.�

&/.� &/.�

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

))

)) ))

))

))

))

))

))

))

))5�BLQ

Figure 2.12 Deserializer block diagram

Page 34: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

SURSRVHG� GHVHULDOL]HU� DQG� WKH� HTXLYDOHQW� ZDYHIRUPV�� UHVSHFWLYHO\�� 7KH� SURSRVHG� GHVHULDOL]HU�

XWLOL]HV�ERWK�ULVLQJ�DQG� IDOOLQJ�HGJHV�RI� WKH��*+]�����*+]��DQG�����*+]�FORFNV� WR�GHVHULDOL]H�

WKH� VHULDO� ��*+]� GDWD� VWUHDP� LQWR� HLJKW� SDUDOOHO� GDWD� VWUHDP�� ,Q� DGGLWLRQ� WR� LWV� ORZ� SRZHU�

GLVVLSDWLRQ�� WKH�SURSRVHG�GHVHULDOL]HU�UHGXFHV�WKH�ODWHQF\�UHVXOWLQJ�IURP�WKH�VKLIW�UHJLVWHU�EDVHG�

LPSOHPHQWDWLRQ����

'� '� '� '� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'� '� '�

'DWD

'BRGG

'BHYHQ

'��

'��

'��

'���5�BLQ

'� '�

'� '�

'� '�

'� '�

'� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '� '�

'� '� '� '� '� '� '� '�

'�

'�

&/.

&/.�

&/.�

&/.�

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

5�BLQ

�Figure 2.13 Deserializer waveforms

Page 35: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.4. Clock and Data Recovery (CDR)

7KH�FORFN�DQG�GDWD�UHFRYHU\��&'5��LV�D�FULWLFDO�EXLOGLQJ�EORFN�LQ�6HU'HV�WUDQVFHLYHUV��7KH�

&'5�LV�UHVSRQVLEOH�IRU�UHFRYHULQJ�WKH�GDWD�IURP�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO�ZLWK�PLQLPXP�ELW�HUURU�UDWH��

7R�DFKLHYH�WKH�PLQLPXP�ELW�HUURU�UDWH��WKH�&'5�QHHGV�WR�VDPSOH�WKH�GDWD�DW�WKH�PLGGOH�RI�WKH�H\H�

DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH� �������7KH�&'5�GHVLJQ� LV�FRPSOH[��EHFDXVH� WKH�UHFHLYHG�GDWD�VWUHDP�LV�QRW�

DOLJQHG�ZLWK� WKH� FORFN� DW� WKH� UHFHLYHU�� 7KHUH� DUH� WZR� UHDVRQV� IRU� WKH�PLVDOLJQPHQW�� )LUVW�� WKH�

GLIIHUHQW�WLPH�GRPDLQV�LQ�WKH�WUDQVPLWWHU�DQG�WKH�UHFHLYHU�UHVXOWV�LQ�D�GHWHUPLQLVWLF�SKDVH�RIIVHW�

DQG� WKH� MLWWHU� DFFXPXODWHG� GXULQJ� WKH� FKDQQHO� WUDQVPLVVLRQ� UHVXOWV� LQ� WLPH� XQFHUWDLQW\�� 7KH�

VHFRQG�UHDVRQ�LV�WKH�WLPLQJ�XQFHUWDLQW\��MLWWHU��RI�WKH�LQFRPLQJ�GDWD��>��@���

Figure 2.14 Eye diagram of the data, the Y-axis is the voltage and the X-axis is the time

7KH�FRQYHQWLRQDO�&'5�GHVLJQ�EDVHG�RQ�DQ�DQDORJ�&KDUJH�3XPS�3//��&33//��LV�VKRZQ�LQ�

)LJXUH� ������ �>��@�� 7KH� DUFKLWHFWXUH� RI� WKH� &'5� KDV� EHHQ� UHDOL]HG� DV� D� WZR�ORRS� VWUXFWXUH�

FRQVLVWLQJ�RI� D� IUHTXHQF\� ORRS�DQG�D�SKDVH� ORRS��$W� VWDUW� XS�� WKH� IUHTXHQF\� ORRS�SURYLGHV� IDVW�

ORFNLQJ�WR�WKH�V\VWHP�IUHTXHQF\�ZLWK�WKH�KHOS�RI�WKH�UHIHUHQFH�FORFN��$IWHU�WKDW��WKH�9&2�FORFN�

UHDFKHV�D�IUHTXHQF\�YHU\�FORVH�WR�WKH�GDWD�UDWH��7KHQ�D�frequency lock�VLJQDO�LV�JHQHUDWHG�DQG�WKH�

IUHTXHQF\�ORRS�LV�WXUQHG�RII��ZKLOH�WKH�SKDVH�ORRS�LV�WXUQHG�RQ��7KH�SKDVH�ORRS�WUDFNV�WKH�SKDVH�

RI�WKH�9&2�JHQHUDWHG�FORFN�ZLWK�UHVSHFW�WR�WKH�GDWD�DQG�DOLJQV�WKHP�WRJHWKHU��VXFK�WKDW�WKH�FORFN��

Page 36: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

FDQ�VDPSOH�WKH�GDWD�DW�WKH�PLGGOH�RI�WKH�H\H��)RU�WKH�SKDVH�ORRS�WR�IXQFWLRQ�SURSHUO\��ZH�QHHG�DV�

PDQ\�GDWD�WUDQVLWLRQV�DV�SRVVLEOH�IRU�FRQWLQXRXV�WUDFNLQJ�DQG�DOLJQPHQW��+HQFH��ORQJ�VWUHDPV�RI�

]HURV�RU�RQHV�PD\�FDXVH� ORRS� LQVWDELOLW\��7KHUHIRUH��D�����ELW� HQFRGHU� LV�XVHG� WR�JHQHUDWH�GDWD�

WUDQVLWLRQV�� DQG� JXDUDQWHH� D� PD[LPXP� RI� IRXU� VXFFHVVLYH� �¶V� RU� �¶V�� +RZHYHU�� WKLV� HQFRGHU�

UHVXOWV�LQ�DERXW�����ORVV�LQ�WKH�GDWD�UDWH���

7KH�FKDUJH�SXPS�EDVHG�&'5��&3&'5��KDV�SURYHQ�JRRG�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�DQG�ORZ�SRZHU�

FRQVXPSWLRQ��+RZHYHU�� LQ� GHHS� VXEPLFURQ� WHFKQRORJ\�� WKH� GHVLJQ� RI� DQ� DQDORJ�&33//� IDFHV�

PDQ\� FKDOOHQJHV� �>��@�� )LUVW�� WKH� SHUIRUPDQFH� RI� DQDORJ� EORFNV� GHJUDGHV� GXH� WR� ORZ� YROWDJH�

KHDGURRP�� 6HFRQG�� WKHUH� LV� D� ODUJH� DUHD� RYHUKHDG� GXH� WR� WKH� PHWDO� FDSDFLWRUV� QHHGHG� IRU�

LPSOHPHQWLQJ�WKH�DQDORJ�ORRS�ILOWHU��7KLUG��WKH�&3&'5�IDFHV�GLIILFXOW\�LQ�DFKLHYLQJ�JRRG�MLWWHU�

SHUIRUPDQFH�ZLWK� D� QRLVH�VXVFHSWLEOH� DQDORJ� FRQWURO�� ZKLFK� LV� LQGXFHG� E\� WKH� UHGXFHG� VXSSO\�

YROWDJHV�DQG�WKH�ODUJH�QRLVH�JHQHUDWHG�IURP�DGMDFHQW�GLJLWDO�FLUFXLWV��7KH�FKDOOHQJHV�HQFRXQWHUHG�

LQ�DQDORJ�EDVHG�&'5V�LPSOHPHQWHG�LQ�GHHS�VXEPLFURQ�WHFKQRORJLHV��PDNH�WKH�DOO�GLJLWDO�&'5�

�$'&'5��DQ�DWWUDFWLYH�DOWHUQDWLYH��

Frequency Loop

Phase LoopMUX

frequency lock

PL UP/DN

FL UP/DN

Data

FDCO

FDCO

Fref

83

'QVCO

Figure 2.15 Conventional charge pump based CDR

Page 37: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.4.1. All Digital CDR Proposed Architecture

�)LJXUH�������VKRZV�WKH�SURSRVHG�DUFKLWHFWXUH�RI�D�GXDO�ORRS��KDOI�UDWH�$'&'5��7KH�SURSRVHG�

$'&'5� DUFKLWHFWXUH� FRQVLVWV� RI� D� GLJLWDO� FRQWUROOHG� RVFLOODWRU� �'&2��� DQG� WZR� ORRSV�� D�

IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ� ORRS�DQG�D�SKDVH� ORRS��7KH�IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ� ORRS� LV�XVHG� WR�VHW� WKH�

LQLWLDO�FRDUVH�ZRUG�RI�WKH�'&2�DW�SRZHU�XS��ZKLFK�UHVXOWV�LQ�DQ�RXWSXW�IUHTXHQF\�YHU\�FORVH�WR�

WKH� WDUJHW� IUHTXHQF\�� 7KH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� ORRS� FRQVLVWV� RI� FRXQWHU�EDVHG� ORJLF� WKDW�

FRPSDUHV� EHWZHHQ� WKH� IUHTXHQFLHV� RI� WKH� '&2� RXWSXW� DQG� WKH� UHIHUHQFH� FORFN�� $IWHU� WKDW�� D�

ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP��%6$�� LV�XVHG� WR�DGMXVW� WKH�FRDUVH�ZRUG����ELWV���DQG� WKH�ILQH�ZRUG����

ELWV�� RI� WKH� '&2�� $IWHU� WKH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� LV� GRQH�� WKH� IUHTXHQF\� ORRS� JHQHUDWHV� D�

frequency lock�DV�DQ�HQDEOH�VLJQDO�IRU�WKH�SKDVH�ORRS��7KH�SKDVH�ORRS�DOLJQV�WKH�FORFN�DQG�GDWD�

E\� FRQWUROOLQJ� WKH�'&2� LQSXW� ILQH�ZRUG��7KH� SKDVH� ORRS� FRQVLVWV� RI� SURSRUWLRQDO� DQG� LQWHJUDO�

SDWKV��7KH�SURSRUWLRQDO�SDWK�LV�D�GLUHFW�SDWK�IURP�WKH�RXWSXW�RI�WKH�SKDVH�GHWHFWRU�WR�WKH�FRQWURO�

ELWV�RI� WKH�'&2��7KH�SURSRUWLRQDO�SDWK�FRQWUROV� WKH� IUHTXHQF\�RI� WKH�'&2�GLUHFWO\� DW�D� VSHHG�

KLJKHU� WKDQ� WKH� LQWHJUDO�SDWK� WR�SURYLGH�VWDELOLW\��7KLV� LV�EHFDXVH� WKH� LQWHJUDO�SDWK� LV� VORZ� LQ�D�

Frequency

Acquisition

Binary

Search

1st

Order

ȭ Ʀ

Thermometer

Encoder

DCO

Data

Fref

Frequency

Lock

FSM

Coarse tune

Fine tune

Thermometer

Encoder

integer

fraction3

5 24

1

154

4/

/

/

/

/

/

/

UP,DN

UP[7:0]

DN[7:0]

Fine tune

Fine tune

Bang-Bang

PD

Deserializer

+

Z-1

Figure 2.16 Proposed CDR block diagram

Page 38: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

ZD\� WKDW� WKH� FORFN�PD\� JR� RXW� RI� SKDVH� EHIRUH� WKH� LQWHJUDO� SDWKV� UHVSRQGV�� 7KH� LQWHJUDO� SDWK�

FRQVLVWV�RI�DQ���ELW�GHVHULDOL]HU��D�ILQLWH�VWDWH�PDFKLQH��)60���DQG�D�ILUVW�RUGHU�LQILQLWH�LPSXOVH�

UHVSRQVH��,,5��ILOWHU��7KH�SKDVH�ORRS�WUDFNV�WKH�SKDVH�GLIIHUHQFH�EHWZHHQ�WKH�GDWD�DQG�WKH�RXWSXW�

'&2�FORFN�XVLQJ�D�EDQJ�EDQJ�SKDVH�GHWHFWRU��%%3'���ZKLFK�LQGLFDWHV�ZKHWKHU�WKH�FORFN�OHDGV�

RU�ODJV�WKH�GDWD�E\�JHQHUDWLQJ�UP�DQG�DN�VLJQDOV��7KHQ��WKH�GHVHULDOL]HU� LV�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH�

UP/DN�VWUHDP�WR�RQH�HLJKWK�RI�WKH�GDWD�UDWH�IRU�WKH�LQWHJUDO�SDWK��$IWHU�WKDW��WKH�)60�WDNHV�WKH�

DYHUDJH�RI����ELWV��DQG�IHHGV�LW�LQWR�D�ILUVW�RUGHU�,,5�LQWHJUDWRU����

������6LQFH��PRVW�RI� WKH�EXLOGLQJ�EORFNV�RI� WKH�$OO�'LJLWDO�&'5�DUH�PDGH�RI� V\QWKHVL]HG�GLJLWDO�

FLUFXLWV�H[FHSW� IRU� WKH�'&2��DQG� WKH�%%3'�� WKH\�FDQ�EH�HDVLO\�VFDOHG�IURP�RQH� WHFKQRORJ\� WR�

DQRWKHU��>��@�DQG��>��@��2QH�RI�WKH�FKDOOHQJHV�LQ�WKH�&'5�LPSOHPHQWDWLRQ�LV�WKH�VSHHG�OLPLWDWLRQ��

KRZHYHU��LPSOHPHQWLQJ�KDOI�UDWH�&'5�DUFKLWHFWXUH�RYHUFRPHV�WKLV�SUREOHP��>��@��+DOI�UDWH�&'5�

DUFKLWHFWXUH� FDQ� EH� LPSOHPHQWHG� XVLQJ� D� KDOI�UDWH� %%3'� WKDW� XVHV� DW� OHDVW� WZR� FORFN� SKDVHV��

,PSOHPHQWLQJ�D�KDOI�UDWH�&'5�RIIHUV�PDQ\�DGYDQWDJHV��)LUVW�� WKH�ORZHU�IUHTXHQF\�RI�RSHUDWLRQ�

UHGXFHV�WKH�SRZHU�DQG�SXWV�IHZHU�FRQVWUDLQWV�RQ� WKH�GLJLWDO�EORFNV�RI� WKH�&'5��6HFRQG��DV� WKH�

FORFN�IUHTXHQF\�LV�UHGXFHG��WKH�GHVLJQ�RI�WKH�'&2�LV�UHOD[HG��VR�WKH�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�ZLOO�EH�

EHWWHU�� DQG� WKH� ORRS� VWDELOLW\� FDQ� EH� DFKLHYHG� HDVLO\�� 2Q� WKH� RWKHU� KDQG�� WKH� KDOI�UDWH� &'5�

DUFKLWHFWXUH�QHHGV�PXOWLSKDVH�FORFN�VLJQDOV�� LQ�SKDVH�DQG�TXDGUDWXUH�SKDVH�FORFNV��7KLV�PHDQV�

WKDW�DQ\�PLVPDWFK�EHWZHHQ�WKH�LQ�SKDVH�DQG�WKH�TXDGUDWXUH�SKDVH�FORFN�ZLOO�UHVXOW�LQ�D�UHGXFWLRQ�

LQ� WKH�RYHUDOO� V\VWHP�SHUIRUPDQFH��0RUHRYHU�� LPSOHPHQWLQJ� D�PXOWLSKDVH�%%3'� LQFUHDVHV� WKH�

FLUFXLW� GHVLJQ� FRPSOH[LW\�� +RZHYHU�� D� KDOI�UDWH� &'5� LPSOHPHQWDWLRQ� LV� D� YHU\� DWWUDFWLYH�

DOWHUQDWLYH�IRU�D�KLJK�GDWD�UDWH�WUDQVPLVVLRQ��

Page 39: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.4.2. Bang-Bang Phase Detector

)LJXUH� ������ DQG� )LJXUH� ������ VKRZ� WKH� VFKHPDWLF� DQG� WKH� WUDQVIHU� IXQFWLRQ� RI� WKH� OLQHDU�

SKDVH� GHWHFWRU� �3'�� DQG� WKH� EDQJ�EDQJ� 3'�� UHVSHFWLYHO\� �>��@�� 7KH� OLQHDU� 3'� RXWSXW� LV�

SURSRUWLRQDO� WR� WKH�PDJQLWXGH� RI� WKH� LQSXW� SKDVH� HUURU��ZKLOH� WKH�%%3'�RXWSXW� LQGLFDWHV� RQO\�

ZKHWKHU�WKH�FORFN�OHDGV�RU�ODJV�WKH�GDWD�UHJDUGOHVV�RI�WKH�PDJQLWXGH�RI�WKH�LQSXW�SKDVH�HUURU��7KH�

ILUVW� %%3'�ZDV� SXEOLVKHG� E\�$OH[DQGHU� LQ� �>��@� DQG� RIWHQ� UHIHUUHG� WR� DV� WKH� ELQDU\� 3'�� 7KH�

%%3'�KDV�VHYHUDO�DGYDQWDJHV�DV�FRPSDUHG� WR� WKH� OLQHDU�3'��)LUVW�� LWV�ELQDU\�RXWSXW�PDNHV� WKH�

LQWHJUDWLRQ� ZLWK� WKH� GLJLWDO� ORRS� ILOWHU� HDVLHU� DQG� HQDEOHV� VDPSOLQJ� WKH� GDWD� XVLQJ� PXOWLSKDVH�

FORFN��VXFK�WKDW�WKH�&'5�FDQ�RSHUDWH�DW�KDOI�WKH�GDWD�UDWH��6HFRQG��WKHUH�LV�QR�QHHG�IRU�DQ�DQDORJ�

WR�GLJLWDO� FRQYHUWHU� �$'&��RU� D� WLPH� WR�GLJLWDO� FRQYHUWHU� �7'&�� WR� FRQYHUW� WKH� DYHUDJH� DQDORJ�

RXWSXW�WR�GLJLWDO�ELWV�IRU�WKH�'&2���

Figure 2.17 Linear Phase Detector: Schematic and Transfer function [18]

Figure 2.18 Bang-Bang Phase Detector: Schematic and Transfer function [18]

Page 40: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7KH�ILUVW�KDOI�UDWH�OLQHDU�3'�DQG�%%3'�ZHUH�SURSRVHG�E\�6DYRM�DQG�5D]DYL�LQ��>��@��)LJXUH�

������VKRZV�WKH�VFKHPDWLF�RI�WKH�SURSRVHG�WUL�VWDWH�KDOI�UDWH�%%3'��7KH�LQ�SKDVH�DQG�TXDGUDWXUH�

SKDVH� FORFNV� DUH�XVHG� WR� VDPSOH� WKH�GDWD� WKUHH� WLPHV� DV� LQGLFDWHG�E\�S0��S1,� DQG�S2� LQ�)LJXUH�

�������7KH�UP�VLJQDO�LV�WKH�UHVXOW�RI�DQ�;25�EHWZHHQ�WKH�FXUUHQW�VWDWH�S1�DQG�WKH�SUHYLRXV�VWDWH�

S0��7KH�DN�VLJQDO�LV�WKH�UHVXOW�RI�DQ�;25�EHWZHHQ�WKH�FXUUHQW�VWDWH S1�DQG�WKH�QH[W�VWDWH�S2��7KH�

WKUHH�SRVVLEOH�VWDWHV�DUH�LQGLFDWHG�LQ�7DEOH�������LI�WKH�FORFN�ODJV�WKH�GDWD��UP�VLJQDO�ZLOO�EH�KLJK�

DQG�DN VLJQDO�ZLOO�EH� ORZ�� ,I� WKH� FORFN� OHDGV� WKH�GDWD�� WKH�UP� VLJQDO�ZLOO�EH� ORZ�DQG� WKH�DN�

VLJQDO�ZLOO�EH�KLJK��,Q�FDVH�RI�QR�WUDQVLWLRQV��ERWK�UP�DQG�DN DUH�ORZ����

'(7))

'(7))

'(7))

'(7))

&ON�&ONEDU�&ON���&ON��EDU

6� 6�

6�

83

'1

))

)) /0

Figure 2.19 Proposed half-rate BBPD

6�

6� 6� 6� 6�

6�

In-phase clock

Quadrature clock

Clock leading Data Clock lagging Data �Figure 2.20 Data sampled by the clock at 3 states

Table 2.1 Different states of clock and data are indicated by UP and DN signals

UP DN State

�� �� &ORFN�ODJ�GDWD�

�� �� &ORFN�OHDG�GDWD�

�� �� 1R�WUDQVLWLRQ��

Page 41: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.1.4.3. Digital Controlled Oscillator (DCO)

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� SURSRVHG�'&2��7KH� ULQJ� RVFLOODWRU� EDVHG�'&2� FRQVLVWV� RI� IRXU�

GLIIHUHQWLDO� LQYHUWHUV��7KH�'&2�JHQHUDWHV�PXOWLSKDVH� FORFNV��ZKRVH� IUHTXHQFLHV� DUH� FRQWUROOHG�

E\�WKH�LQSXW�LQWHJUDO�ZRUG��7KH�LQ�SKDVH�DQG�TXDGUDWXUH�SKDVH�FORFNV�DUH�IHG�EDFN�WR�WKH�KDOI�UDWH�

%%3'� IRU�SKDVH� FRPSDULVRQ��7KH�'&2�RXWSXW� IUHTXHQF\� LV� FRQWUROOHG�E\� D���ELW� FRDUVH�ZRUG�

DQG�D���ELWV� ILQH�ZRUG��7KH�RVFLOODWRU� LV�FRQWUROOHG�E\�D�WKHUPRPHWHU�FRGH�UDWKHU� WKDQ�D�ELQDU\�

FRGH�WR�HQVXUH�PRQRWRQLF�LQFUHDVH��)LJXUH�������VKRZV�WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\�YHUVXV�WKH�ILQH�ZRUG�

IRU�GLIIHUHQW�FRDUVH�ZRUGV�LQ�W\SLFDO�FRQGLWLRQV�DW����϶F����

)LQH�7XQH�30RV

)LQH�7XQH�10RV&RDUVH�7XQH�10RV

&RDUVH�7XQH�30RV

,Q�

,Q� 2XW�

2XW�

�Figure 2.21 DCO

�Figure 2.22 DCO tuning curves

Page 42: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.2. Scheme 2: Three-Level code with Constant DC

,Q� VFKHPH� WZR�� WKH� GDWD� DQG� WKH� FORFN� DUH� PXOWLSOH[HG� XVLQJ� D� QHZ� WKUHH�OHYHO� FRGLQJ�

WHFKQLTXH� VKRZQ� LQ�)LJXUH� ������7KLV� FRGLQJ� WHFKQLTXH� HQDEOHV� VSOLWWLQJ� WKH� FORFN�DQG� WKH�GDWD�

VWUHDP�DW�WKH�UHFHLYLQJ�VLGH�ZLWK�D�VLPSOH�FLUFXLW��7KLV�FRGLQJ�PDLQWDLQV�WKH�VLJQDO�DC� OHYHO�DW�

VDD/2�LQGHSHQGHQW�RI�WKH�GDWD�SDWWHUQ��WKXV�HOLPLQDWLQJ�WKH�QHHG�IRU�HTXDOL]DWLRQ�FLUFXLWV�DV�ORQJ�

DV�WKH�FLUFXLW�RSHUDWHV�DW�D�KLJK�IUHTXHQF\��)XUWKHUPRUH��WKLV�QHZ�VLJQDOLQJ�VFKHPH�HOLPLQDWHV�WKH�

QHHG�IRU�DQ�H[WUD�OLQN�WR�VHQG�WKH�FORFN�RQ��RU�XVLQJ�WKH�FRPSOH[�DQG�SRZHU�KXQJU\�&'5�DW�WKH�

UHFHLYHU� VLGH�� $FFRUGLQJO\�� WKH� SURSRVHG� VLJQDOLQJ� VFKHPH� UHVXOWV� LQ� ORZHU� DUHD�� SRZHU�� DQG�

PHWDO�WUDFN�XVDJH�DV�FRPSDUHG�WR�WKH�RWKHU�FRQYHQWLRQDO�6HU'HV�GHVLJQV�SUHVHQWHG�LQ��>��@���>��@��

DQG�VFKHPH�����

0RUHRYHU�� WKLV� VLJQDOLQJ� VFKHPH� LV� LQVHQVLWLYH� WR� MLWWHU� DFFXPXODWHG� GXULQJ� WKH� VLJQDO�

WUDQVPLVVLRQ�� EHFDXVH� WKH� FORFN� VLJQDO� LV� H[WUDFWHG� IURP� WKH� GDWD� VWUHDP�� +HQFH�� DQ\� WLPLQJ�

HUURUV� LQ� WKH� UHFHLYHG� VLJQDO�ZLOO� DOVR� EH� UHIOHFWHG� LQ� WKH� H[WUDFWHG� FORFN� DQG� WKH� GDWD�ZLOO� EH�

VDPSOHG�FRUUHFWO\��7KHUHIRUH��WKHUH�LV�QR�KLJK�FRQVWUDLQW�RQ�WKH�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�RI�WKH�3//�DW�

WKH� WUDQVPLWWHU� VLGH�� ZKLFK� PDNHV� DQ� DOO�GLJLWDO� 3//� �$'3//�� D� YHU\� DWWUDFWLYH� IUHTXHQF\�

V\QWKHVL]HU�IRU�WKLV�6HU'HV�DUFKLWHFWXUH��5HSODFLQJ�WKH�DQDORJ�3//�DW�WKH�WUDQVPLWWHU�VLGH�ZLWK�DQ�

$'3//�UHGXFHV�WKH�GHVLJQ�FRPSOH[LW\��SRZHU��DQG�DUHD�RYHUKHDG�VLJQLILFDQWO\���

7KUHH�/HYHO�

(QFRGHU

$'3//

Ro

3KDVH'HWHFWRU

$7[�/LQH�LQ 7[�/LQH�RXW

7[�/LQH�RXW7[�/LQH�LQ�

'H6

HULDOL]HU

%

6HULDOL]HU

Ro

+LJK�6ZLWFKLQJ�7KUHVKROG�,QYHUWHUV

ReceiverTransmitterDifferential

Transmission Line

'DWD

&/.

3DUDOOHO�'

DWD�LQ

3DUDOOHO�'

DWD�RXW

Figure 2.23 SerDes transceiver architecture for 3 level signaling preserving the DC level in scheme 2

Page 43: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

)LJXUH�������VKRZV�WKH�EORFN�GLDJUDP�RI�WKH�SURSRVHG���*ESV�6HU'HV�DUFKLWHFWXUH�IRU�VFKHPH�

��VLJQDOLQJ��7KH�V\VWHP�FRQVLVWV�RI�D�WUDQVPLWWHU��D�UHFHLYHU��DQG�D�ORVV\�RQ�FKLS�ZLUH�WKDW�ZLOO�EH�

XVHG�DV�D� WUDQVPLVVLRQ� OLQH��7KH� WUDQVPLWWHU�VHULDOL]HV����*+]���ELW�SDUDOOHO�GDWD��JHQHUDWHV� WKH�

GLIIHUHQWLDO� WKUHH�OHYHO� FRGH� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ������ DQG� GULYHV� WKH� ORVV\� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�� 7KH�

UHFHLYHU�GHFRGHV�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGHG�GDWD��DQG�H[WUDFWV�WKH�FORFN�IURP�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO�XVLQJ�

D� VLPSOH�SKDVH�GHWHFWRU��$�GHVHULDOL]HU� LV� WKHQ�XVHG� WR� UHFRYHU� WKH���ELW� SDUDOOHO� GDWD� IURP� WKH�

��*ESV�VHULDO�GDWD�VWUHDP���

2.4.2.1. Three-level Encoder and Driver

�7KH�WKUHH�OHYHO�HQFRGHU�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������7KH�/DWFK�08;�FRQILJXUDWLRQ�LPSOHPHQWHG�

E\� IDVW� ;25� DQG� ;125� JDWHV�� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ������ PXOWLSOH[HV� WKH� ��*ESV� GDWD� ZLWK� WKH�

��*+]�FORFN��$IWHU�WKDW��WKH�WUDQVPLVVLRQ�JDWHV�DUH�XVHG�WR�PXOWLSOH[�WKH���*+]�FORFN�ZLWK�WKH�

GDWD�DQG�GULYH�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��,W�LV�YHU\�LQWHUHVWLQJ�WR�QRWLFH�WKDW�WKH�VDD/2�VRXUFH�GRHVQ¶W�

GLVVLSDWH�SRZHU��EHFDXVH�WKH�'&�OHYHO�RI�WKH�VLJQDO�LV�VDD/2�DQG�WKH�GLIIHUHQWLDO�SDLU�RXWSXWV�DUH�

FKDUJHG�DQG�GLVFKDUJHG�WR VDD/2�DW�WKH�VDPH�WLPH��

FF

FF L

L

M

M

FON��*

FON��*

FON��*

FON��*

FON��*

9''��

9''��

7[�OLQH�LQ

'[QRU&

'[RU&

Driver

FF

FF

&/.���*+] &/.���*+]

6HULDOL]HG'DWD

Data XOR CLK

7[�OLQH�LQ

FF: Flip FlopL: LatchM: MUX

Figure 2.24 Scheme 2: Three-level Encoder and driver

Page 44: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

,Q� WKLV� VFKHPH�� VRXUFH� PDWFKLQJ� LV� XVHG� DW� WKH� WUDQVPLWWHU� VLGH� WR� PDNH� XVH� RI� WKH�

WUDQVPLVVLRQ�JDWH��GULYHU��UHVLVWDQFH��DQG�EHQHILW�IURP�WKH�VLJQDO�UHIOHFWLRQV�DW�WKH�UHFHLYHU�VLGH��

7KH�VLJQDO�UHIOHFWLRQV�GRXEOH�WKH�DPSOLWXGH�RI�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO��7KH�VL]HV�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�

JDWHV�DUH�DGMXVWHG�LQ�VXFK�D�ZD\�WKDW�WKDW�WKH�VRXUFH�LPSHGDQFH�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�Zs HTXDOV�

WKH�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�Z0��)LJXUH�������VKRZV�WKH�LQWHUQDO�VLJQDOV�RI�

WKH� WKUHH�OHYHO� HQFRGHU�� DQG� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LQSXW� DQG� RXWSXW� VLJQDOV�� 1RWH� WKDW� WKH�

DPSOLWXGH�RI�WKH�LQSXW�VLJQDO�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�DSSUR[LPDWHO\�HTXDOV�WKH�DPSOLWXGH�RI�WKH�

DPSOLWXGH�RI�WKH�RXWSXW�VLJQDO�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��

Figure 2.25 The encoder internal signals and the transmission line input/output signals

2.4.2.2. Transmission Line Design

$Q� RQ�FKLS� GLIIHUHQWLDO� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� ZLWK� VRXUFH� LPSHGDQFH� Zs� DQG� FKDUDFWHULVWLF�

LPSHGDQFH�Z0�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������,Q�WKLV�VFKHPH��VRXUFH�PDWFKLQJ�LV�XVHG�DQG�Zs�LV�GHVLJQHG�

WR�EH�HTXDO�WR�Z0���

Page 45: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

=�7;�/LQH�,Q 7;�/LQH�RXW

=V

=/

=�

7;�/LQH�,QBEDU

7;�/LQH�RXWBEDU

=V

Figure 2.26 Scheme 2, source matching technique is used

6KLHOG 6� 6� 6KLHOG6 ���XP

: �XP

��� &9

&+CH =54f CV =254fL=1.7 nR=40

Figure 2.27 cross section of differential transmission line and design parameters of scheme 2

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� FURVV� VHFWLRQ� RI� WKH� GLIIHUHQWLDO� � WUDQVPLVVLRQ� OLQH� DQG� LWV� SDUDVLWLF�

SDUDPHWHUV�� 7KH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LV� GHVLJQHG� WR� EH� �PP� ORQJ� DQG� �ȝP� ZLGH� WR� KDYH� WKH�

IROORZLQJ�SDUDVLWLFV��R ���ȍ�PP��L ���Q+�PP��CV ���I)�PP�� CH ���I)�PP�DQG�C Cv��CH�

����I)�PP���

8VLQJ� WKH� SDUDVLWLF� YDOXHV� RI� WKH� LQWHUFRQQHFW�� WKH� FKDUDFWHULVWLF� LPSHGDQFH� Z0� FDOFXODWHG�

XVLQJ� ������� HTXDOV� ��ȍ� DQG� WKH� SURSDJDWLRQ� VSHHG�v� FDOFXODWHG� XVLQJ� ������� HTXDOV� ����PP�QV��

7DEOH������VXPPDUL]HV�WKH�GHVLJQ�SDUDPHWHUV�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��7KH�DWWHQXDWLRQ�FRQVWDQW�Į�

FDOFXODWHG�IURP��������HTXDOV�WR������PP����UHVXOWV�LQ�D�WRWDO�DWWHQXDWLRQ�RI��(1-e-ĮȚ) ������RI�WKH�

VLJQDO� DPSOLWXGH�� $SSO\LQJ� VRXUFH� PDWFKLQJ� GRXEOHV� WKH� VLJQDO� DPSOLWXGH� DQG� UHVXOWV� LQ� DQ�

DWWHQXDWLRQ� RI� RQO\� (1-2e-ĮȚ) ������� 7KH� SURSDJDWLRQ� WLPH� IRU� WKH� VLJQDO� WKURXJKRXW� WKH� �PP�

ORQJ�� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LV� ����SV�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH� WKUHH�OHYHO� FRGH� DW� WKH� LQSXW� DQG� WKH�

RXWSXW�RI�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��7KH�SHDN�WR�SHDN�DPSOLWXGH�RI�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�WKH�LQSXW�RI�WKH�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH�HTXDOV�WR����P9��ZKLOH�WKH�SHDN�WR�SHDN�DPSOLWXGH�RI�WKH�VLJQDO�DW�WKH�RXWSXW�

RI� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� HTXDOV� ���P9�� 7KXV�� XVLQJ� VRXUFH� PDWFKLQJ� UHVXOWHG� LQ� RQO\� ����

DWWHQXDWLRQ�ORVV��

Page 46: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.2.3. Decoder

$W� WKH�UHFHLYHU�VLGH�� ORZ�VZLWFKLQJ� WKUHVKROG� LQYHUWHUV�VKRZQ�LQ�)LJXUH� �������DUH�XVHG�DV�D�

GHFRGHU�WR�FRQYHUW�WKH�WKUHH�OHYHO�VLJQDO�WR�D�WZR�OHYHO�VLJQDO��$V�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������“0”�LV�

UHSUHVHQWHG�E\�D�SXOVH�RQ�A�IROORZHG�E\�D�SXOVH�RQ�B��ZKLOH�D�“1”�LV�UHSUHVHQWHG�E\�D�SXOVH�RQ�%�

IROORZHG�E\�D�SXOVH�RQ�A��7KH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROGV�RI�WKHVH�LQYHUWHUV�DUH�VXVFHSWLEOH�WR�SURFHVV��

YROWDJH� DQG� WHPSHUDWXUH� YDULDWLRQV��$� FDOLEUDWLRQ� VFKHPH�ZLOO� EH� SUHVHQWHG� ODWHU� WR� DGMXVW� WKH�

WKUHVKROG�YROWDJH�RI�WKH�LQYHUWHUV��

Table 2.2 Design parameters of scheme 3 transmission line

Parameter Symbol Value

5HVLVWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��ȍ�PP�� R ���

,QGXFWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��Q+�PP�� L ����

&DSDFLWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��I)�PP�� C ����

$WWHQXDWLRQ�FRQVWDQW��PP���� Įsat ������

$WWHQXDWLRQ�DORQJ��PP�OLQH� ఈ �������

FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH��ȍ�� Z0 ���

3KDVH�YHORFLW\��PP�QV�� v �����

3URSDJDWLRQ�WLPH�DORQJ��PP�OLQH��SV� tp ������

A

B

in

in_bar

Low Switching Threshold

Figure 2.28 Low switching threshold inverters convert

the three-level signals to two-level signal A and B

in

in_bar

A

B

“0” “0” “0” “1” “0”“1”

Vth

Vth

Figure 2.29 A and B are the output signals of the low switching threshold

inverters; “0” represented by a pulse on A followed by a pulse on B, while “1” represented by a pulse on B followed by a pulse on A.

Page 47: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.2.4. Phase Detector

7KH�3KDVH�'HWHFWRU��3'��VKRZQ�LQ�)LJXUH�������LV�YHU\�FRPPRQ�LQ�DQ�DQDORJ�3//��,W�ZRUNV�

DV�D�WKUHH�VWDWH�PDFKLQH��VWDUWLQJ�ZLWK�ERWK�QA�DQG�QB�HTXDO�WR�]HUR�UHSUHVHQWLQJ�WKH�UHVHW�VWDWH��

:KHQ�D�SXOVH�LV�UHFHLYHG�RQ A��WKH�3'�ZLOO�DVVHUW�QA��DQG�WKHQ�ZDLW�IRU�D�SXOVH�RQ�B�WR�UHVHW��7KH�

VDPH�ZLOO�EH�GRQH�ZLWK�QB��ZKHQ�WKH�3'�UHFHLYHV�D�SXOVH�RQ�B�IROORZHG�E\�D�SXOVH�RQ�A��$Q�65�

ODWFK� LV�XVHG� WR� VHW� WKH�RXWSXW�XVLQJ�QA� DQG� UHVHW� LW�XVLQJ�QB��ZKLOH�D�1$1'�JDWH� LV�XVHG� WR�

H[WUDFW�WKH����*+]�RXWSXW�FORFN��$IWHU�WKDW��WKH�GHVHULDOL]HU�LV�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH���*ESV�VHULDO�

GDWD� WR���ELW�SDUDOOHO�GDWD� VWUDPV�DW�D�FORFN� IUHTXHQF\�RI�����*+]��)LJXUH� ������VKRZV�KRZ� WKH�

SKDVH�GHWHFWRU�ZRUNV��,I�D�SXOVH�RQ�A�LV�UHFHLYHG�EHIRUH�D�SXOVH�RQ�B��WKH�3'�GHWHFWV�D�“0”,�DQG�LI�

D�SXOVH�RQ�B�LV�UHFHLYHG�EHIRUH�D�SXOVH�RQ�A��3'�GHWHFWV�D�“1”��$�1$1'�JDWH�LV�XVHG�WR�H[WUDFW�

WKH�FORFN�DQG�D�65�ODWFK�LV�XVHG�WR�UHFRYHU�WKH�GDWD���

Q

Q6(7

&/5

'$

%

RXW

FON

4$

4%

Q

Q6(7

&/5

'

Figure 2.30 Phase Detector

“0” “0” “0” “1” “0”“1”

Time

Volt

Figure 2.31 Simple Phase detector extract the clock and

recover the data

Page 48: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.4.3. Scheme 3: Three-Level Code

6FKHPH���LV�SURSRVHG�WR�RYHUFRPH�PDQ\�SUREOHPV�HQFRXQWHUHG�LQ�VFKHPH����$OWKRXJK��WKH�

VLJQDOLQJ� VFKHPH���ZLWK� VRXUFH�PDWFKLQJ�RIIHUV�PDQ\�DGYDQWDJHV�PHQWLRQHG�EHIRUH�� LW� VXIIHUV�

IURP�PDQ\�SUREOHPV��)LUVW��HDFK�ELW�LV�HQFRGHG�LQ�WZR�FORFN�F\FOHV��WKXV�WKLV�VLJQDOLQJ�VFKHPH�

ORVHV�KDOI� WKH�GDWD� UDWH��6HFRQG�� WKH�XVH�RI� VRXUFH�PDWFKLQJ� WHFKQLTXH�SXWV�D� OLPLWDWLRQ�RQ� WKH�

PLQLPXP�IUHTXHQF\�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��ZKLFK�PDNHV�LW�GLIILFXOW�WR�RSHUDWH�SUREDEO\�LQ�VORZ�

FRUQHUV�� 7KLUG�� VHQGLQJ� GLIIHUHQWLDO� VLJQDOV� KDV� QR� DGYDQWDJHV� LQ� WHUPV� RI� QRLVH� LPPXQLW\��

EHFDXVH�DW� WKH�UHFHLYHU�� WKHUH�DUH�WZR�VHSDUDWH�ORZ�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�LQYHUWHUV�XVHG�WR�GHWHFW�

WKH�VLJQDOV��7KXV��WKHUH�LV�D�JUHDW�SUREDELOLW\�RI�PLVPDWFK�DW�WKH�UHFHLYHU�VLGH��ZKLFK�ZLOO�PDNH�

H[WUDFWLQJ�WKH�FORFN�DQG�UHFRYHULQJ�WKH�GDWD�GLIILFXOW����

6LJQDOLQJ� VFKHPH� �� SUHVHQWV� D� WKUHH�OHYHO� FRGLQJ� WHFKQLTXH� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ����� WKDW�

RYHUFRPHV�WKH�SUREOHPV�RI�VLJQDOLQJ�VFKHPH����ZKLOH�RIIHULQJ�WKH�VDPH�DGYDQWDJHV�SURYLGHG�E\�

VFKHPH� ��� 7KH� GDWD� DQG� WKH� FORFN� DUH� PXOWLSOH[HG� XVLQJ� D� WKUHH�OHYHO� FRGH� WKDW� HQDEOHV�

UHFRYHULQJ� WKH� FORFN� IURP� WKH� GDWD� DW� WKH� UHFHLYLQJ� VLGH� XVLQJ� VLPSOH� FLUFXLWU\�� 7KLV� DOVR�

HOLPLQDWHV� WKH�QHHG�RI�VHQGLQJ� WKH�FORFN�XVLQJ�DQ�H[WUD�ZLUH��RU�XVLQJ�D�FRPSOH[�FRQYHQWLRQDO�

FORFN�GDWD� UHFRYHU\� �&'5��DW� WKH� UHFHLYHU� VLGH��6LQFH� WKH� FORFN�DQG�GDWD� DUH�PXOWLSOH[HG�� WKLV�

WHFKQLTXH� LV�DOVR� LQVHQVLWLYH� WR� MLWWHU�DFFXPXODWHG�GXULQJ�VLJQDO� WUDQVPLVVLRQ��ZKLFK�HOLPLQDWHV�

DQ\�KXJH�UHTXLUHPHQWV�RQ�WKH�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�RI�WKH�3//�DW�WKH�WUDQVPLWWHU����

7KUHH�/HYHO�

(QFRGHU

$'3//

Ro'HWHFWRU

7[�/LQH�LQ 7[�/LQH�RXW

'H6

HULDOL]HU

6HULDOL]HU

ReceiverTransmitterSingle-ended

Transmission Line

'DWD

&/.

3DUDOOHO�'

DWD�LQ

3DUDOOHO�'

DWD�RXW

�Figure 2.32 Scheme 3 SerDes transceiver architecture for 3 level signaling

Page 49: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

�7KH�ILUVW�DGYDQWDJH�RI�WKLV�VFKHPH�LV�WKDW�HDFK�ELW�LV�HQFRGHG�LQ�RQO\�RQH�FORFN�F\FOH��ZKLFK�

RYHUFRPHV� WKH� SUREOHP� RI� ORVLQJ� KDOI� WKH� GDWD� UDWH� LV� RYHUFRPH�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH� EORFN�

GLDJUDP� RI� WKH� SURSRVHG� 6HU'HV� DUFKLWHFWXUH� IRU� VFKHPH� ��� 5HVLVWLYH� WHUPLQDWLRQ� LV� XVHG� WR�

UHGXFH� GLVSHUVLRQ� DQG� DYRLG� GLVWRUWLRQ�� +HQFH�� WKLV� VLJQDO� GRHVQ¶W� SXW� D� OLPLWDWLRQ� RQ� WKH�

PLQLPXP�IUHTXHQF\��7KH�V\VWHP�FRQVLVWV�RI�D� WUDQVPLWWHU��D� UHFHLYHU�� DQG�D� ORVV\�VLQJOH�HQGHG�

RQ�FKLS�ZLUH�WKDW�ZLOO�EH�XVHG�DV�D�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��7KH�WUDQVPLWWHU�VHULDOL]HV���ELW�SDUDOOHO�GDWD�

DQG�JHQHUDWHV� WKH� WKUHH�OHYHO�FRGH�VKRZQ�LQ�)LJXUH� ������DQG�GULYHV� WKH� ORVV\� WUDQVPLVVLRQ� OLQH��

7KH�UHFHLYHU�GHFRGHV�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGHG�GDWD��DQG�H[WUDFWV�WKH�FORFN�IURP�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO�

XVLQJ�D�YHU\�VLPSOH�GHWHFWRU��$�GHVHULDOL]HU� LV� WKHQ�XVHG�WR�UHFRYHU�WKH���ELW�SDUDOOHO�GDWD�IURP�

WKH�VHULDO�GDWD�VWUHDP���

2.4.3.1. Driver and Three-level Encoder

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� SURSRVHG� GULYHU� DQG� WKH� WKUHH�OHYHO� HQFRGHU� XVHG� WR� PXOWLSOH[� WKH�

FORFN�DQG�GDWD�E\�DGGLQJ�D�WKLUG�OHYHO��XVLQJ�D�VDD/2�VRXUFH��� �

clk clk

clk

clk

Data

Vdd

Encoded data

Figure 2.33 Scheme 3: Three-level Encoder and driver �

2.4.3.2. Transmission Line Design

$Q�RQ�FKLS�VLQJOH�HQGHG�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�ZLWK�FKDUDFWHULVWLF� LPSHGDQFH�Zo� LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�

�������5HVLVWLYH�WHUPLQDWLRQ�LV�XVHG�WR�UHGXFH�WKH�LQWHU�V\PERO�LQWHUIHUHQFH��ZKHUH�WKH�WHUPLQDWLRQ�

UHVLVWDQFH� RL� LV� FDOFXODWHG� XVLQJ� �������� 7KH� WHUPLQDWLRQ� UHVLVWDQFH� LV� FRQQHFWHG� WR� D� VDD/2�

Page 50: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

VRXUFH� UDWKHU� WKDQ� JURXQG�� VR� WKHUH� LV� QR�DC� SRZHU� GLVVLSDWLRQ�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH� FURVV�

VHFWLRQ�RI�D�VLQJOH�HQGHG��WUDQVPLVVLRQ�OLQH�DQG�WKH�SDUDVLWLF�SDUDPHWHUV��7KH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LV�

GHVLJQHG� WR�EH��PP�ORQJ�DQG��ȝP�ZLGH��)RU�D��ȝP�ZLGH� LQWHUFRQQHFW�� WKH� OLQH�SDUDVLWLFV��R �

����ȍ�PP��L �Q+�PP��CV �����I)�PP�� CH �����I)�PP�DQG�C Cv��CH� ����I)�PP��

)URP�WKH�SDUDVLWLF�YDOXHV�RI�WKH�LQWHUFRQQHFW��WKH�DWWHQXDWLRQ�FRQVWDQW�Į�FDOFXODWHG�XVLQJ�����

���HTXDOV�������PP����WKH�FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH�Z0 FDOFXODWHG�XVLQJ��������HTXDOV���ȍ�DQG�WKH�

SURSDJDWLRQ�VSHHG�v�FDOFXODWHG�XVLQJ��������HTXDOV������PP�QV��7DEOH������VXPPDUL]HV�WKH�GHVLJQ�

SDUDPHWHUV�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��7KH�DWWHQXDWLRQ�RI�WKH�VLJQDO�DORQJ�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LV�

�����7KH�YDOXH�RI�RL�QHHGHG�IRU�DSSO\LQJ�WKH�UHVLVWLYH�WHUPLQDWLRQ�WHFKQLTXH�LV�FDOFXODWHG�XVLQJ�

�������DQG�HTXDOV���ȍ��

7KH� SURSDJDWLRQ� WLPH� IRU� WKH� VLJQDO� WUDQVPLWWHG� DORQJ� WKH� �PP� ORQJ� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� LV�

��SV��ZKLFK� FDQ�EH� VHHQ� LQ�)LJXUH� �������7KH� WKUHH�OHYHO� VLJQDOV� DW� WKH� LQSXW� DQG� WKH�RXWSXW�RI�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH�DUH�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������7KH�SHDN�WR�SHDN�DPSOLWXGH�RI�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�

WKH� LQSXW� RI� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� HTXDOV� WR� ���P9�� ZKLOH� WKH� SHDN�WR�SHDN� DPSOLWXGH� RI� WKH�

VLJQDO�DW� WKH�RXWSXW�RI� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�HTXDOV� WR����P9��7KHUH� LV�D�����DWWHQXDWLRQ� ORVV�

FRPSDUHG�WR�RQO\�����DWWHQXDWLRQ�LQ�VFKHPH���GXH�WR�XVLQJ�WKH�VRXUFH�PDWFKLQJ�WHFKQLTXH��

5/

=�7;�/LQH�,Q 7;�/LQH�RXW

'&9''��

Figure 2.34 Scheme 3 transmission line termination resistance connected to VDD/2 source rather than

ground

6KLHOG 6� 6KLHOG6 ���XP

: �XP

��� &9

&+ CH =52.5fF CV =763.5fFL=1 nHR=18.2 ɏ

Figure 2.35 cross section of single ended transmission line

Page 51: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

����SV

(mV)

(mV)

Figure 2.36 Scheme 3, three-level code at the input and output of the transmission line �

Table 2.3 Design parameters of scheme 3 transmission line

Parameter Symbol Value

5HVLVWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��ȍ�PP�� 5� �����

,QGXFWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��Q+�PP�� /� ��

&DSDFLWDQFH�SHU�XQLW�OHQJWK��I)�PP�� &� ����

$WWHQXDWLRQ�FRQVWDQW��PP���� ĮVDW� ������

$WWHQXDWLRQ�DORQJ��PP�OLQH� ఈ� �����

FKDUDFWHULVWLF�LPSHGDQFH��ȍ�� =�� ���

3KDVH�YHORFLW\��PP�QV�� Y� �����

3URSDJDWLRQ�WLPH�DORQJ��PP�OLQH��SV� WS� ������

2.4.3.3. Detector

)LJXUH�������VKRZV�WKH�VFKHPDWLF�RI�D�VLPSOH�GHWHFWRU�XVHG�DW�WKH�UHFHLYHU�VLGH�WR�H[WUDFW�WKH�

FORFN� DQG� UHFRYHU� WKH� GDWD� IURP� WKH� WKUHH�OHYHO� HQFRGHG� VLJQDO�� 7KH� GHWHFWRU� FRQVLVWV� RI� KLJK�

VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�DQG�ORZ�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�LQYHUWHUV��ZKLFK�DUH�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH�WKUHH�

OHYHO� FRGHV� LQWR� WZR�OHYHO� VLJQDOV�A� DQG�B� DV� VKRZQ� LQ )LJXUH� �������$�1$1'�JDWH� LV� XVHG� WR�

Page 52: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

JHQHUDWH�WKH�FORFN�DQG�DQ�65�ODWFK�LV�XVHG�WR�UHFRYHU�WKH�GDWD��)LJXUH�������VKRZV�WKH�VLPXODWLRQ�

UHVXOWV�RI�WKH�VLPSOH�GHWHFWRU�LQ�)LJXUH��������

&ON

'BRXW

/RZ�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG

+LJK�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�

SR Latch

7;�OLQH�RXWSXW

$

%

Figure 2.37 Scheme 3 simple detector

2.5. Calibration Technique Applied to Scheme 2 and Scheme 3

7KH�UHOLDELOLW\�RI�GHWHFWLQJ�WKH�WKUHH�OHYHO�VLJQDOV�DW�WKH�HQG�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�GHSHQGV�

RQ�WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�RI�WKH�LQYHUWHUV��7KH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�RI�WKH�LQYHUWHUV�LV�LQIOXHQFHG�

JUHDWO\�E\�WKH�SURFHVV��YROWDJH��DQG�WHPSHUDWXUH�YDULDWLRQ��&DOLEUDWLRQ�RI�WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�

Figure 2.38 Detector at the receiver detects the 3 level code, extract the clock and recover the data

Page 53: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

RI�WKH�LQYHUWHUV�DW�WKH�VWDUW�XS�LV�LPSRUWDQW�WR�RYHUFRPH�WKH�SURFHVV�YDULDWLRQ�SUREOHP��$�ELQDU\�

VHDUFK�DOJRULWKP�LV�XVHG�WR�VHOHFW�D�ZRUG�WKDW�FRQWUROV� WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�RI� WKH�LQYHUWHUV��

)LJXUH� ������DQG�)LJXUH� ������VKRZ�WKH�VFKHPDWLF�RI� ORZ�DQG�KLJK�VZLWFKLQJ� WKUHVKROG� LQYHUWHUV�

XVHG�IRU�FDOLEUDWLRQ��UHVSHFWLYHO\��7KH�QXPEHU�DQG�WKH�VL]H�RI�WKH�FRQWURO� WUDQVLVWRUV�GHSHQG�RQ�

WKH�UDQJH�RI�YDULDWLRQV�DQG�WKH�UHTXLUHG�UHVROXWLRQ��

$�GXW\�F\FOH�PHDVXUHPHQW�FLUFXLW� LV�XVHG�WR�PHDVXUH�WKH�GXW\�F\FOH�RI� WKH�H[WUDFWHG�FORFN�

IRU�D�SUHDPEOH�RI�VXFFHVVLYH��¶V�DQG�D�SUHDPEOH�RI�VXFFHVVLYH��¶V��ZKLFK�DUH�XVHG�WR�FDOLEUDWH�WKH�

FRQWURO� ELWV� RI� WKH� KLJK� VZLWFKLQJ� WKUHVKROG� LQYHUWHU� DQG� WKH� ORZ� VZLWFKLQJ� WKUHVKROG� LQYHUWHU��

UHVSHFWLYHO\���

^�1026�FRQWURO�WUDQVLVWRUV

LQRXW

�Figure 2.39 Calibrated low switching threshold inverter

^3026�FRQWURO��WUDQVLVWRUV

LQ RXW

�Figure 2.40 Calibrated high switching threshold inverter

Page 54: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.6. A Comparison between the Three Discussed Signaling Schemes

Point of comparison Scheme 1 (conventional scheme)

Scheme 2 (proposed scheme)

Scheme 3 (proposed scheme)

Signaling scheme WZR�OHYHO� WKUHH�OHYHO�0DQFKHVWHU� WKUHH�OHYHO�

Transmission Line GLIIHUHQWLDO� GLIIHUHQWLDO� VLQJOH�HQGHG�

Matching technique UHVLVWLYH�WHUPLQDWLRQ� VRXUFH�PDWFKLQJ� UHVLVWLYH�WHUPLQDWLRQ�

Limitation on minimum frequency

1R�OLPLWDWLRQV�7KHUH�LV�D�PLQLPXP�DOORZHG�GDWD�UDWH�

1R�OLPLWDWLRQV�

Bulky building blocks &'5�DW�WKH�UHFHLYHU�

*RRG�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�3//�DW�WKH�WUDQVPLWWHU�

6LPSOH�FLUFXLWV��QR�QHHG�IRU�EXON�EORFNV�VXFK�DV�

&'5�

6LPSOH�FLUFXLWV��QR�QHHG�IRU�EXON�EORFNV�VXFK�DV�

&'5�

Jitter effect on data reliability

YHU\�VHQVLWLYH�WR�WUDQVPLWWHG�GDWD�MLWWHU�

LQVHQVLWLYH�WR�MLWWHU�DFFXPXODWHG�GXULQJ�

WUDQVPLVVLRQ�

LQVHQVLWLYH�WR�MLWWHU�DFFXPXODWHG�GXULQJ�

WUDQVPLVVLRQ�

Detector calibration QRW�QHHGHG� QHHGHG� QHHGHG�

Driver size VPDOO� ODUJH� YHU\�ODUJH�

Maximum frequency of operation (GHz)

�� ��� ���

Maximum data rate (GHz)

��� ��� ���

Power KLJK� ORZ� ORZ�

Design complexity FRPSOH[� VLPSOH� VLPSOH�

Area ODUJH� VPDOO� VPDOO�

Page 55: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.7. Simulation Results

2.7.1. Scheme 2 Simulation Results

)LJXUH������DQG�)LJXUH�������VKRZ�WKH�H\H�GLDJUDP�RI�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGH�DW�WKH�LQSXW�DQG�WKH�

RXWSXW�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH��UHVSHFWLYHO\��,W�FDQ�EH�QRWLFHG�WKDW�WKH�DPSOLWXGH�RI�WKH�VLJQDO�DW�

WKH�LQSXW�DQG�WKH�RXWSXW�RI�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LV�DSSUR[LPDWHO\�WKH�VDPH��7KLV�UHVXOWV�IURP�WKH�

XVH�RI� WKH� VRXUFH�PDWFKLQJ� WHFKQLTXH��ZKHUH� WKHUH� LV� QR�PDWFKLQJ� DW� WKH� UHFHLYHU� VLGH� �RQO\� D�

VPDOO�FDSDFLWLYH�ORDG���WKH�UHIOHFWLRQV�ZLOO�GRXEOH�WKH�VLJQDO�DPSOLWXGH�UHVXOWLQJ�LQ�DWWHQXDWLRQ�RI�

RQO\�(1-2e-ĮȚ) ������LQVWHDG�RI��1-e-ĮȚ)=���. )LJXUH�������VKRZV�WKH�H\H�GLDJUDP�RI�WKH�H[WUDFWHG�

��� *+]� FORFN� IURP� WKH� SKDVH� GHWHFWRU�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH� H\H� GLDJUDP� RI� WKH� H[WUDFWHG�

��*ESV�GDWD�VWUHDP��$OWKRXJK�WKHUH�LV�D�VLJQLILFDQW�DPRXQW�RI�MLWWHU�LQ�WKH�UHFHLYHG�VLJQDO�VKRZQ�

LQ�)LJXUH��������WKH�GDWD�ZDV�UHFHLYHG�DQG�VDPSOHG�FRUUHFWO\��

Figure 2.41 Eye diagram of the three-level code at the input

of the transmission line

Figure 2.42 Eye diagram of the three-level code at the

output of the transmission line

Figure 2.43 Eye diagram of the extracted clock from the

phase detector

Figure 2.44 Eye diagram of the recovered data from the

phase detector

Page 56: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7DEOH� ����� VXPPDUL]HV� WKH� WRWDO� SRZHU� DQG� WKH� SRZHU� FRQVXPHG�E\� HDFK� EXLOGLQJ� EORFN� LQ�

VFKHPH���6HU'HV� WUDQVFHLYHU��7KH� WRWDO�SRZHU�FRQVXPHG� LV�RQO\�����P:��ZKLFK� LV�YHU\�VPDOO�

FRPSDUHG�WR�WKDW�RI�FRQYHQWLRQDO�6HU'HV�WUDQVFHLYHUV��>��@���>��@��

Table 2.4 Power Consumption of scheme 2 componnents in typical conditions prelayout

�Component� Power (mW)�

7;�

$'3//� ����

6HULDOL]HU� ��

/LQH�'ULYHU� ��

5;�3KDVH�GHWHFWRU� ����

'HVHULDOL]HU� ����

7RWDO�SRZHU� �����

Page 57: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.7.2. Scheme 3 Simulation Results

7DEOH� ����� VXPPDUL]HV� WKH� WRWDO� SRZHU� DQG� WKH� SRZHU� FRQVXPHG�E\� HDFK� EXLOGLQJ� EORFN� LQ�

VFKHPH���6HU'HV�WUDQVFHLYHU��7KH�WRWDO�SRZHU�FRQVXPHG�LV�RQO\�����P:DWW��ZKLFK�LV�YHU\�VPDOO�

FRPSDUHG�WR�WKH�FRQYHQWLRQDO�6HU'HV�WUDQVFHLYHUV��>��@���>��@��

Table 2.5 Power Consumption of scheme 3 components in typical conditions

�Component� Power (mW)�

7;�

$'3//� ����

6HULDOL]HU� ��

/LQH�'ULYHU� ����

5;�

'HWHFWRU� ����

'HVHULDOL]HU� �����

'XW\�F\FOH�FRUUHFWLRQ�

FLUFXLWV������

1HW�SRZHU� �����

Page 58: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.8. Layout

)LJXUH� ������DQG�)LJXUH� ������VKRZ� WKH� OD\RXW�RI� WKH� VHULDOL]HU�DQG�GHVHULDOL]HU�� UHVSHFWLYHO\�

XVHG�LQ�6HU'HV�WUDQVFHLYHU���

�����ȝP�

Figure 2.45 Serializer layout

����ȝP�

����������������� ����Figure 2.46 Deserializer Layout

�����ȝP�

��ȝP�

Page 59: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

2.9. Design Comparison

7DEOH������FRPSDUHV�EHWZHHQ�WKH�UHVXOWV�RI�WKLV�ZRUN�DQG�RWKHU�SXEOLVKHG�ZRUN�LQ��>��@���>��@��

7KH�SURSRVHG�VLJQDOLQJ�WHFKQLTXHV�LQ�WKLV�ZRUN�KDYH�SURYHQ�D�VLJQLILFDQW�UHGXFWLRQ�LQ�SRZHU�DQG�

DUHD��7KLV�LV�EHFDXVH�WKH�WKUHH�OHYHO�FRGLQJ�WHFKQLTXHV�HQDEOH�H[WUDFWLQJ�WKH�FORFN�IURP�WKH�GDWD�

XVLQJ�VLPSOH�FLUFXLWV�UDWKHU�WKDQ�XVLQJ�FRPSOH[�SRZHU�KXQJU\�EORFNV�VXFK�DV�&'5��

Table 2.6 Design comparison of the proposed signaling techniques with other work in published literature

This work

�>��@� �>��@�

Scheme 2� Scheme 3�

7HFKQRORJ\� ��QP� ��QP� ���QP� ���QP�

&RUH�YROWDJH��9�� �� �� ���� ����

'DWD�UDWH��*ESV�� ��� ��� ������ ��

3RZHU��P:�� ����� ����� ���� ����

Page 60: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

Chapter 3

3 All Digital Phase Locked Loop

3.1. Introduction

UHTXHQF\� V\QWKHVL]HUV� DUH� XVHG� LQ�5)� DSSOLFDWLRQV� WR� JHQHUDWH� D� KLJK� IUHTXHQF\� SHULRGLF�

VLJQDO� IURP� D� SXUH� UHIHUHQFH� FORFN�� JHQHUDWHG� IURP� FU\VWDO� RVFLOODWRUV�� ,Q� RXU� SURSRVHG�

6HU'HV�WUDQVFHLYHU��D�KLJK�IUHTXHQF\�FORFN�VLJQDO�LV�QHHGHG�IRU�WKH�VHULDOL]HU�DW�WKH�WUDQVPLWWHU�WR�

FRQYHUW� WKH� SDUDOOHO� ELW� VWUHDPV� WR� D� VLQJOH� VHULDO� ELW� VWUHDPV�� 7KHUH� DUH� PDQ\� DSSURDFKHV�

DYDLODEOH� WR� LPSOHPHQW� IUHTXHQF\� V\QWKHVL]HUV� VXFK� DV� 'LUHFW� 'LJLWDO� )UHTXHQF\� 6\QWKHVL]HUV�

�'')6�� �>��@�� �>��@�� 'HOD\� /RFNHG� /RRSV� �'//�� �>��@�� �>��@� DQG� 3KDVH� /RFNHG� /RRSV� �3//���

+RZHYHU��WKH�3//�LV�WKH�FRPPRQ�V\QWKHVL]HU�XVHG�LQ�5)�DSSOLFDWLRQV���

7KH�FRQFHSW�RI�SKDVH�ORFNLQJ�ZDV�LQYHQWHG�LQ�WKH�����V�DQG�IRXQG�ZLGH�XVDJH�LQ�HOHFWURQLFV�

DQG� FRPPXQLFDWLRQ�� :KLOH� WKH� EDVLF� 3//� KDV� UHPDLQHG� QHDUO\� WKH� VDPH� VLQFH� WKHQ�� LWV�

LPSOHPHQWDWLRQ� LQ� GLIIHUHQW� WHFKQRORJLHV� DQG� IRU� GLIIHUHQW� DSSOLFDWLRQV� FRQWLQXHV� WR� FKDOOHQJH�

GHVLJQHUV� �>��@��7KH�EORFN�GLDJUDP�RI�D�FRQYHQWLRQDO�DUFKLWHFWXUH�RI�D�3//� LV� VKRZQ� LQ�)LJXUH�

������ 7KH� 9ROWDJH� &RQWUROOHG� 2VFLOODWRU� �9&2�� LV� XVHG� WR� JHQHUDWH� WKH� KLJK� IUHTXHQF\� RXWSXW�

FORFNܨ�௨௧�GHWHUPLQHG�E\�WKH�LQSXW�FRQWURO�YROWDJH�VLPF��

� ௨௧ܨ = ܨ + ௩ܭ כ ி� �����6�

ZKHUH�VLPF�LV�WKH�RXWSXW�YROWDJH�RI�WKH�/RZ�3DVV�)LOWHU��/3)��DQG�WKH�LQSXW�FRQWURO�YROWDJH�RI�WKH�

9&2��FO�LV�WKH�IUHH�UXQQLQJ�RVFLOODWRU�IUHTXHQF\�ZKHQ�WKH�LQSXW�FRQWUROOHG�YROWDJH�VLPF �]HUR��

KVCO LV�WKH�9&2�JDLQ�WKDW�GHSHQGV�RQ�WKH�GHVLJQ�RI�WKH�9&2�������������������������

)�

Page 61: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

PD LPF VCO

Divide by N

Fref

Fdiv

FoutVLPFVPD

Figure 3.1 The conventional block diagram of PLL based frequency synthesizer

$�3//�LV�D�QHJDWLYH�IHHGEDFN�V\VWHP�WKDW�FRPSDUHV�WKH�UHIHUHQFH�FORFNܨ��DQG�WKH�GLYLGHG�

YHUVLRQ�RI�WKH�RXWSXW�FORFNܨ�ௗ௩��ܨௗ௩ = �3'���7KH�3'�LV�XVHG�WR��௨௧/���XVLQJ�D�3KDVH�'HWHFWRUܨ

JHQHUDWH� D� YROWDJH� SURSRUWLRQDO� WR� WKH� SKDVH� HUURU�� 7KH� DYHUDJH� RI� WKH� 3'� RXWSXW� YROWDJH�

JHQHUDWHG�IURP�WKH�/3)�LV�XVHG� WR�FRQWURO� WKH�RXWSXW� IUHTXHQF\�RI� WKH�9&2��$W� WKH� ORFN�VWDWH���

௨௧ܨ = × �ܨ DQG� WKH� SKDVH� GLIIHUHQFH� EHWZHHQ� �ܨ DQG� �ௗ௩ܨ LV� YHU\� VPDOO�� DQG�

DSSUR[LPDWHO\�HTXDOV�]HUR��,Q�JHQHUDO��WKHUH�DUH�ZHOO�NQRZQ�3//�VSHFV�WKDW�DUH�XVHG�WR�HYDOXDWH�

WKH�SHUIRUPDQFH�RI�D�3//��

��� Acquisition Lock Time��,W�LV�WKH�WLPH�QHHGHG�IRU�WKH�3//�WR�ORFN�WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\�WR�WKH�

LQSXW�IUHTXHQF\�ZLWK�PLQLPXP�SKDVH�HUURU���

��� Acquisition Lock Range��,W�LV�WKH�LQSXW�IUHTXHQF\�UDQJH�WKDW�WKH�3//�FDQ�GHWHFW�DQG�DFTXLUH�

ORFN�� 7KLV� LV� D� YHU\� LPSRUWDQW� VSHF�� EHFDXVH� IUHTXHQF\� YDULDWLRQ� LV� H[SHFWHG� GXH� WR� WKH�

SURFHVV�� YROWDJH�� DQG� WHPSHUDWXUH� �397�� YDULDWLRQ�� 7KHUHIRUH�� WKH� DFTXLVLWLRQ� ORFN� UDQJH�

VKRXOG�EH�ZLGH�HQRXJK�WR�DFFRXQW�IRU�397�YDULDWLRQ��

��� Jitter�� ,W�LV�WKH�WLPH�XQFHUWDLQW\�LQ�WKH�RXWSXW�FORFN�SHULRG�DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH� ������DQG�LW�LV�

PHDVXUHG�LQ�SV���

��� Phase noise��-LWWHU�LQ�WKH�WLPH�GRPDLQ�LV�WUDQVODWHG�LQWR�SKDVH�QRLVH�LQ�WKH�IUHTXHQF\�GRPDLQ�

DV�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������DQG�LW�LV�PHDVXUHG�LQ�G%F�+]��)LJXUH������VKRZV�KRZ�WKH�RXWSXW�FORFN�

DQG�LWV�IUHTXHQF\�UHVSRQVH��GLIIHUV�SUDFWLFDOO\�IURP�WKH�LGHDO�FDVH�������

Page 62: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

)&

)&

31���GEF�+]�

ȴF

-LWWHU��SV�

,GHDO

SUDFWLFDO

Figure 3.2 Jitter in time domain translated to phase noise in frequency domain

��� Bandwidth��7KH� EDQGZLGWK� RI� D�3//�GHWHUPLQHV� WKH� DFTXLVLWLRQ� ORFN� WLPH�� WKH� DFTXLVLWLRQ�

ORFN� UDQJH�� DQG� WKH� SKDVH� QRLVH� RI� WKH� 3//�� 7KHUH� LV� H[WHQVLYH� UHVHDUFK� HIIRUW� VSHQW� LQ�

PRGHOLQJ� WKH� 3//� DQG� GHULYLQJ� H[SUHVVLRQV� IRU� WKH� 3//� WUDQVIHU� IXQFWLRQV� WKDW� VKRZ� WKH�

LPSDFW�RI�EDQGZLGWK�RQ�WKH�RWKHU�3//�VSHFV��>��@���>��@��

��� Power Consumption�� 1RZDGD\V� ZH� DUH� WDONLQJ� DERXW� PXOWLSOHV� RI� FRUHV� LQWHJUDWHG� RQ� D�

VLQJOH�FKLS��VR�UHGXFLQJ�SRZHU�LV�LPSRUWDQW��

��� Portability��7KH�IDVW�SDFH�RI�WHFKQRORJ\�VFDOLQJ��IRUFHV�WKH�GHVLJQHUV�WR�ILQG�D�TXLFN�DQG�HDV\�

ZD\�WR�WUDQVIHU�WKH�GHVLJQ�IURP�RQH�WHFKQRORJ\�WR�DQRWKHU��7KH�GLJLWDO�GHVLJQ�GHVFULEHG�XVLQJ�

+DUGZDUH�'HVFULSWLRQ�/DQJXDJH��+'/��LV�SRUWDEOH�DQG�GHVLUHG�IRU�IDVW�WUDQVIHU����

7KH�GHVLJQ�RI�DQ�5)�3//�PHHWLQJ�DOO�WKH�SUHGHILQHG�VSHFV�LV�YHU\�FKDOOHQJLQJ��+RZHYHU��WKH�

VSHFV� WKDW� WKH� 3//� PXVW� PHHW� GHSHQG� KHDYLO\� RQ� WKH� DSSOLFDWLRQ�� VR� WKHUH� LV� QR� LGHDO�

LPSOHPHQWDWLRQ�IRU�IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HUV��7KH�UHTXLUHG�VSHFV�IRU�WKH�DSSOLFDWLRQ�GHWHUPLQH�WKH�

FKRLFH�RI�WKH�3//�DUFKLWHFWXUH�DQG�WKH�FLUFXLW�GHVLJQ��������������������

Page 63: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.2. Motivation for All Digital PLLs

$QDORJ�3//V�PD\�GLIIHU� LQ�WKHLU� LPSOHPHQWDWLRQ��KRZHYHU�WKH\�DOO�KDYH�D�FKDUJH�SXPS�

EDVHG�DUFKLWHFWXUH��>��@��,Q�WKH�FKDUJH�SXPS�EDVHG�3//�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������WKH�SKDVH�DQG�

IUHTXHQF\�GHWHFWRU�JHQHUDWH�D�SXOVH�ZLGWK�PRGXODWHG�VLJQDO�SURSRUWLRQDO� WR�WKH�SKDVH�HUURU��

7KHQ�� WKH�FKDUJH�SXPS�JHQHUDWHV�D� FXUUHQW�SURSRUWLRQDO� WR� WKLV� VLJQDO�� DQG� WKH�DQDORJ� ORRS�

ILOWHU�FRQYHUWV�WKLV�FXUUHQW�WR�D�YROWDJH�VLJQDO�WKDW�FRQWUROV�WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\�RI�WKH�9&2��

0DQ\� JRRG� MLWWHU� SHUIRUPDQFH� FKDUJH� SXPS� 3//V� DUH� SXEOLVKHG� LQ� UHFHQW� OLWHUDWXUHV� �>��@��

�>��@�� �>��@��8VXDOO\�DFKLHYLQJ� ORZ� MLWWHU� LV�DW� WKH�H[SHQVH�RI�DUHD�DQG�SRZHU�� ,QFUHDVLQJ� WKH�

FXUUHQW� LQ� WKH� DQDORJ� EORFNV� RI� WKH� 3//� UHGXFHV� WKH� WKHUPDO� QRLVH� DW� WKH� H[SHQVH� RI� DQ�

LQFUHDVH�LQ�WKH�SRZHU�GLVVLSDWLRQ��,Q�DGGLWLRQ��LQ�QRLV\�DSSOLFDWLRQV��GLIIHUHQWLDO�HQGHG�FLUFXLW�

GHVLJQ� LV�XVHG� IRU�QRLVH� LPPXQLW\�DQG�JRRG� MLWWHU�SHUIRUPDQFH�DW� WKH�H[SHQVH�RI�KLJK�DUHD�

DQG�SRZHU�RYHUKHDG�����

LoopFilter VCO

Divide by N

FoutVLFPFDFref

Fdiv

UP

Dn

IUP

IDN

Figure 3.3 Block diagram of charge pump based PLL

����������������������

Page 64: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.2.1. Analog PLL vs. Digital PLLs

�,Q�DQ�DOO�GLJLWDO�3//��$'3//���WKH�EXLOGLQJ�EORFNV�RI�WKH�DQDORJ�3//�VKRZQ�LQ�)LJXUH������

DUH� UHSODFHG� ZLWK� GLJLWDO� EORFNV� DV� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ����� �� 7KH� 9&2� LV� UHSODFHG� E\� D� GLJLWDO�

FRQWUROOHG� RVFLOODWRU� �'&2��� WKH� /3)� LV� UHSODFHG� E\� D� GLJLWDO� ORRS� ILOWHU� �'/)�� DQG� LQ� VRPH�

DUFKLWHFWXUHV�� D� WLPH� WR� GLJLWDO� FRQYHUWHU� �7'&�� UHSODFHV� WKH� FKDUJH� SXPS�� 'HVSLWH� UHVHDUFK�

HIIRUWV�VSHQW�LQ�GLJLWDO�3//V��>��@���>��@���>��@���>��@���>��@���WKH\�ZHUH�QHYHU�SUDFWLFDOO\�LPSOHPHQWHG�

LQ�5)�DSSOLFDWLRQV��$OWKRXJK�$'3//V�FRQVXPH�OHVV�SRZHU�DQG�DUHD�WKDQ�DQDORJ�3//V��WKH\�VWLOO�

KDYH� D�EDG� MLWWHU� SHUIRUPDQFH� FRPSDUHG� WR� DQDORJ�3//V��7KH�EDG� MLWWHU� SHUIRUPDQFH�RI�GLJLWDO�

3//V� UHVXOWV� IURP� WKH� OLPLWHG�'&2� UHVROXWLRQ�� +RZHYHU�� DV� WHFKQRORJ\� VFDOHV�� WKH� GHVLJQ� RI�

DQDORJ�3//V�HQFRXQWHUV�PDQ\�FKDOOHQJHV��ZKLFK�PDNHV� WKH�GLJLWDO�3//�DQ�DWWUDFWLYH�DSSURDFK�

IRU�PDQ\� UHDVRQV� �>��@�� �>��@� �� )LUVW�� ORZ� YROWDJH� KHDGURRP� UHGXFHV� WKH�SHUIRUPDQFH� RI� DQDORJ�

FLUFXLWV�DQG�LQFUHDVHV�WKH�LPSDFW�RI�QRLVH�VLJQLILFDQWO\��6HFRQG��OHDNDJH�FXUUHQW�LQFUHDVHV�LQ�GHHS�

VXEPLFURQ�� VR� WKH� OHDN\�026�FDSDFLWRUV�XVHG� LQ� WKH� LPSOHPHQWDWLRQ�RI� ORRS� ILOWHUV�QHHG� WR�EH�

UHSODFHG�E\�PHWDO� FDSDFLWRUV��ZKLFK�RFFXS\�PRUH� DUHD��7KLUG�� FXUUHQW� OHDNDJH� OHDGV� WR� FXUUHQW�

PLVPDWFK� LQ� WKH� FKDUJH� SXPS��ZKLFK� LQ� WXUQ� LQWURGXFHV� ULSSOHV� DQG� LQFUHDVHV� MLWWHU�� )RXUWK�� LW�

EHFRPHV�GLIILFXOW�WR�GHVLJQ�D�9&2�ZLWK�D�JRRG�MLWWHU�SHUIRUPDQFH��EHFDXVH�WKH�UHGXFHG�YROWDJH�

VXSSO\�UHVXOWV�LQ�D�KLJKO\�QRLVH�VXVFHSWLEOH�YROWDJH�FRQWURO����

PD DLF DCO

Divide by N

Fref

Fdiv

FoutVLPFVPD

Figure 3.4 The block diagram of Digital PLL

Page 65: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

�2Q� WKH� RWKHU� KDQG�� $'3//V� RYHUFRPH� WKH� PHQWLRQHG� DQDORJ� 3//� SUREOHPV� LQ� GHHS�

VXEPLFURQ�WHFKQRORJLHV�DQG�RIIHU�PDQ\�DGYDQWDJHV��)LUVW��WKH�GLJLWDO�LPSOHPHQWDWLRQ�UHGXFHV�WKH�

VHQVLWLYLW\�RI� WKH�VXSSO\� WR�QRLVH��6HFRQG�� WKH�FRQWURO�ELWV�RI�D�'&2�DUH�LQ�GLJLWDO�IRUP��VR�WKH�

GLJLWDO� WXQLQJ�YROWDJH�FRQWURO�RI� WKH�'&2�LV� OHVV�VHQVLWLYH�WR�QRLVH�DQG�PDNHV�WKH�GHVLJQ�PRUH�

UREXVW�WR�SURFHVV��YROWDJH�DQG�WHPSHUDWXUH�YDULDWLRQ��7KLUG��WKH�EXLOGLQJ�EORFNV�RI�$'3//V�DUH�

PDGH�RI�GLJLWDO�V\QWKHVL]DEOH�EORFNV�H[FHSW�IRU�WKH�'&2��VR�WKH�GHVLJQ�FDQ�EH�HDVLO\�SRUWHG�DV�

WHFKQRORJ\�VFDOHV��)RXUWK��WKH�'/)�RFFXSLHV�D�VPDOO�DUHD�DV�FRPSDUHG�WR�WKH�DQDORJ�ORRS�ILOWHU��

EHFDXVH� LW� GRHV� QRW� FRQWDLQ� DQ\� SDVVLYH� HOHPHQWV�� )LQDOO\�� WKH� DEVHQFH� RI� DQDORJ� EORFNV� DQG�

SDVVLYH�HOHPHQWV�UHGXFHV�WKH�DUHD�DQG�SRZHU�VLJQLILFDQWO\��

3.2.2. Target Application Requirements

$V�PHQWLRQHG�LQ�VHFWLRQ�������WKH�VSHFV�RI�WKH�3//�GHSHQG�KHDYLO\�RQ�WKH�WDUJHW�DSSOLFDWLRQ��

+HQFH��WKH�DSSOLFDWLRQ�GHWHUPLQHV�WKH�FKRLFH�RI�WKH�3//�DUFKLWHFWXUH��DQG�WKH�FLUFXLW�GHVLJQ��7KH�

WDUJHW�RI�RXU�3//�LV�WR�SURYLGH�D�KLJK�IUHTXHQF\�VTXDUH�ZDYH�FORFN�VLJQDO�IRU�WKH�VHULDOL]HU�DQG�

WKH�HQFRGHU�DW�WKH�WUDQVPLWWHU�RI�WKH�6HU'HV�WUDQVFHLYHU� �

Table 3.1 SerDes transceiver frequency synthesizer requirements

Reference frequency (Fref) ���0+]�

Output frequency range ����*+]�DFURVV�397�

Output frequency step ����0+]�

Jitter )OH[LEOH�VRPHKRZ�

Power & area 0LQLPXP��

7KH�UHTXLUHPHQWV�RI�WKH�WDUJHW�3//�VXPPDUL]HG�LQ�7DEOH�������*LYHQ�WKDW��WKH�UHIHUHQFH�FORFN�

IUHTXHQF\�IURP�WKH�FU\VWDO�RVFLOODWRU�HTXDOV����0+]��WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\�UDQJH�LV���WR����*+]�

ZLWK� D� IUHTXHQF\� VWHS� ���0+]�� 7R� JHW� WKH� IUHTXHQF\� UDQJH�� WKH� SURSRVHG� 3//� VKRXOG� EH�

Page 66: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

SURJUDPPDEOH��7KH�QHZ�VLJQDOLQJ�VFKHPH�GRHVQ¶W�SXW�D�KHDY\� UHTXLUHPHQW�RQ� WKH� MLWWHU� VSHFV��

EHFDXVH� LW� HPEHGV� WKH� FORFN� LQ� WKH� GDWD�� DQ\� SKDVH� VKLIW� LQ� WKH� GDWD� ZLOO� EH� UHIOHFWHG� LQ� WKH�

H[WUDFWHG� FORFN� DQG� WKH� GDWD� ZLOO� EH� VDPSOHG� FRUUHFWO\�� 7KHUHIRUH�� WKH� RXWSXW� FORFN� MLWWHU� LV�

DFFHSWHG� WR� D� OLPLW� WKDW� GRHV� QRW� DIIHFW� WKH� SHUIRUPDQFH� RI� WKH� VHULDOL]HU�� 7KH� 3//� VKRXOG� EH�

SRZHU� DQG�DUHD� HIILFLHQW��7KHUHIRUH�� WKH�EHVW� FDQGLGDWH� IRU� WKHVH� VSHFV� LV� DQ�$'3//��$�EDQJ�

EDQJ�$'3//�LV�FKRVHQ�WR�DFKLHYH�D�IDVW�DQG�VLPSOH�GHVLJQ��DV�ZLOO�EH�VKRZQ�ODWHU���

3.3. Bang-Bang ADPLL

7KH�EORFN�GLDJUDP�RI�D�EDQJ�EDQJ�$'3//�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH� ����� ��7KH�3//�FRQVLVWV�RI�D�

ELQDU\�SKDVH�GHWHFWRU� �%3'��� D�GLJLWDO� ORRS� ILOWHU� �'/)��� D�GLJLWDO� FRQWUROOHG�RVFLOODWRU� �'&2���

DQG� D� IHHGEDFN� GLYLGHU�� 7KH� %3'� GHWHUPLQHV� LI� WKH� GLYLGHG� FORFN� OHDGV� RU� ODJV� WKH� UHIHUHQFH�

FORFN�DQG�JHQHUDWHV�DQ�UP/DN�VLJQDO��7KH�'&2�LV�WKH�KHDUW�RI�WKH�3//��LW�JHQHUDWHV�WKH�RXWSXW�

KLJK�FORFN�IUHTXHQF\�DFFRUGLQJ�WR�WKH�LQSXW�FRQWURO�ZRUG��7KH�'/)�LV�FRQVLGHUHG�WKH�EUDLQ�RI�WKH�

3//� WKDW� UHFHLYHV� WKH�UP/DN� VLJQDO� IURP� WKH� %3'�� DQG� DGMXVWV� WKH� FRQWURO� ELWV� RI� WKH� '&2�

DFFRUGLQJ� WR� LWV� SURJUDPPDEOH� FRHIILFLHQWV�Į� DQG�ȕ��7KH� IHHGEDFN�GLYLGHU� LV� SURJUDPPDEOH� WR�

JHQHUDWH� WKH� WDUJHW� UDQJH� RI� IUHTXHQFLHV�� VXFK� WKDW ܨ௨௧ = × ��ܨ )RU� RXU� DSSOLFDWLRQ�� WKH�

UHIHUHQFH�IUHTXHQF\ܨ��HTXDOV�WR����0+]��WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\ܨ�௨௧�UDQJHV�IURP���WR����*+]��

ZLWK�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ�ǻ)�HTXDOV�WR����0+]��WKHQ���UDQJHV�IURP����WR�����ZLWK�D�VWHS�RI����

Fdiv

ȕ

Į

Z -1

UP/DN

DLF

BPD

÷ N

FoutFref DCO

Prop bits

Int bits÷D ɇ

14 Ȉ�ǻ�

Modulator1st order

5

Figure 3.5 Block diagram of bang-bang ADPLL

Page 67: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.3.1. Proposed BBADPLL Architecture

)LJXUH� �����VKRZV� WKH�EORFN�GLDJUDP�RI� WKH�SURSRVHG�EDQJ�EDQJ�$'3//��%%$'3//���7KH�

SURSRVHG�%%$'3//�FRQVLVWV�PDLQO\�RI�D�'&2��D�IUHTXHQF\�GLYLGHU�DQG�WZR�ORRSV��D�IUHTXHQF\�

DFTXLVLWLRQ�ORRS�DQG�D�SKDVH�ORRS��7KH�DFTXLVLWLRQ�ORFN�WLPH�LV�GLUHFWO\�SURSRUWLRQDO�WR�WKH�LQLWLDO�

IUHTXHQF\� GLIIHUHQFH�� &RQVHTXHQWO\�� WR� UHGXFH� WKH� DFTXLVLWLRQ� WLPH�� D� VPDOO� LQLWLDO� IUHTXHQF\�

GLIIHUHQFH� LV� DFKLHYHG� WKURXJK� WKH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� ORRS�� 7KH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� ORRS�

XVHG�GXULQJ�SRZHU�XS� WR�VHOHFW� WKH�'&2�LQSXW�FRDUVH�ZRUG��ZKLFK� LQ� WXUQ�JHQHUDWHV�DQ�RXWSXW�

IUHTXHQF\�FORVH�WR�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\��EXW�QRW�LGHQWLFDO��+HQFH��LW�UHGXFHV�WKH�LQLWLDO�IUHTXHQF\�

GLIIHUHQFH��$IWHU�WKH�IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ�LV�DFKLHYHG��WKH�IUHTXHQF\�ORRS�JHQHUDWHV�D�frequency

lock�DV�DQ�HQDEOH�VLJQDO�IRU�WKH�SKDVH�ORRS��7KH�SKDVH�ORRS�WUDFNV�WKH�SKDVH�GLIIHUHQFH�EHWZHHQ�

WKH�UHIHUHQFH�FORFN�DQG�WKH�GLYLGHG�FORFN�XVLQJ�WKH�3'��DQG�WXQHV�WKH�ILQH�LQSXW�ZRUG�RI�WKH�'&2�

WR�DFFRXQW�IRU�WHPSHUDWXUH��DQG�YROWDJH�YDULDWLRQV����

DCO

Frequency Acquisition

Loop

Phase LoopMUX

Frequency Locked

5

5

51

coarse bits_FL

Fine bits_PL

Fine bits_FL

Fref

Fdiv

FDCO

÷N

4

Figure 3.6 Architecture of the proposed BBADPLL, it consists mainly of frequency acquisition loop and phase loop

Page 68: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.3.2. BBADPLL Building Blocks

�)LJXUH� ����� VKRZV� WKH� GHWDLOHG� EORFN� GLDJUDP� RI� WKH� SURSRVHG� %%$'3//�� 7KH� SURSRVHG�

%%$'3/�FRQVLVWV�PDLQO\�RI�D�'&2��D� IUHTXHQF\�GLYLGHU�DQG�WZR�ORRSV��IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ�

ORRS�DQG�SKDVH�ORRS��7KH�IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ�ORRS�FRQVLVWV�RI�D�IUHTXHQF\�GHWHFWRU��D�08;��D�

WKHUPRPHWHU� HQFRGHU�� D�'&2�� DQG� D� GLYLGH�E\�ILYH�� 7KH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� ORRS�FRPSDUHV�

EHWZHHQ�WKH�I UHTXHQFLHV�RI �WKH�'&2�RXWSXW�FORFN�DQG�WKH�UHI HUHQFH�FO RFN��DI WHU �WKDW�D� ELQDU\�

VHDUFK�DOJRULWKP��%6$��LV�XVHG�WR�DGMXVW�WKH�FRDUVH�ZRUG����ELWV��DQG�WKH�ILQH�ZRUG����ELWV��RI�WKH�

'&2��7KLV�UHVXOWV�LQ�D�IUHTXHQF\�YHU\�FORVH�WR�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\��EXW�QRW�LGHQWLFDO��$IWHU�WKH�

IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� LV� GRQH�� WKH� SKDVH� ORRS� LV� HQDEOHG�� 7KH� SKDVH� ORRS� FRQVLVWV� RI� D� ELQDU\�

SKDVH�GHWHFWRU��%3'���D�'/)��D�PXOWLSOH[HU��08;���D�WKHUPRPHWHU�HQFRGHU��D�ILUVW�RUGHU�VLJPD�

GHOWD��Ȉǻ��PRGXODWRU��D�'&2��D�GLYLGH�E\�ILYH��DQG�D�GLYLGH�E\�N��7KH�%3'�GHWHFWV�ZKHWKHU�WKH�

GLYLGHG� FORFN� ODJV� RU� OHDGV� WKH� UHIHUHQFH� FORFN�� DQG� JHQHUDWHV� DQ� UP/DN� VLJQDO�� 7KH� '/)�

UHFHLYHV�WKH�UP/DN�VLJQDO�DQG�JHQHUDWHV����ELWV��ILYH�ILQH�ELWV��WKUHH�SURSRUWLRQDO�ELWV��DQG�IRXU�

IUDFWLRQDO�ELWV��7KH�Ȉǻ�PRGXODWRU�HPSOR\V�D�GLWKHULQJ�VFKHPH��LW�DFFHSWV�WKH�IUDFWLRQDO�ELWV�DW�D�

ORZ�UDWH��DQG�JHQHUDWHV�D�VLQJOH�ELW�ZLWK�D�KLJK�UDWH��

Frequency Detector

��������÷N

Digital Loop Filter(DLF)

Ther

mom

eter

En

code

r

Fine bits

coarse bits

Prop bits

ɇ�ȴ bits

D Q

MUX

Digital Controlled Oscillator

(DCO)

÷5

coarse bits_FL

Fine bits_FL

Fine bits_PL

Frequency Locked

Fraction bits

FDCO

)UHI

Fdiv

UP/DN

4

3

31

15

1

5

4

5

5

1

1

÷5

ɇ�ȴ�Modulator1st order

Figure 3.7 Detailed Block diagram of the proposed BBADPLL

Page 69: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.3.3. Digital Controlled Oscillator (DCO)

7KH�GLJLWDO�FRQWUROOHG�RVFLOODWRU��'&2��LQ�DQ�$'3//�LV�WKH�UHSODFHPHQW�RI�WKH�FRQYHQWLRQDO�

9&2�LQ�DQDORJ�3//V��7KH�FRQWURO�LQSXW�RI�'&2�LV�LQ�GLJLWDO�IRUP��KHQFH��WKH�QRLVH�LPPXQLW\�RI�

WKHVH�FRQWURO�GLJLWDO�ELWV�LV�KLJK�FRPSDUHG�WR�WKH�DQDORJ�FRQWURO�RI�WKH�9&2���

7KH� UHVROXWLRQ� RI� WKH� '&2� LV� WKH� SULPDU\� IDFWRU� WKDW� GHWHUPLQHV� WKH� RXWSXW� FORFN� MLWWHU��

WKHUHIRUH��WKH�'&2�LV�WKH�PRVW�FULWLFDO�FRPSRQHQW�LQ�WKH�$'3//�GHVLJQ��+RZHYHU��VLQFH�WKH�QHZ�

VLJQDOLQJ�VFKHPHV�HPEHG�WKH�FORFN�LQ�WKH�GDWD��DQ\�SKDVH�VKLIW�LQ�WKH�GDWD�ZLOO�EH�UHIOHFWHG�LQ�WKH�

H[WUDFWHG� FORFN�� DQG� WKH� GDWD� ZLOO� EH� VDPSOHG� FRUUHFWO\�� 7KHUHIRUH�� WKH� RXWSXW� FORFN� MLWWHU�

DVVRFLDWHG�ZLWK�WKH�OLPLWHG�UHVROXWLRQ�RI�WKH�'&2�LV�DFFHSWHG�WR�D�OLPLW�WKDW�GRHV�QRW�DIIHFW�WKH�

SHUIRUPDQFH�RI�WKH�VHULDOL]HU��0RUHRYHU��MLWWHU�LQ�WKH�RXWSXW�FORFN�IUHTXHQF\�RI�WKH�RVFLOODWRU�ZLOO�

EH�UHGXFHG�DIWHU�WKH�FORFN�GLYLVLRQ�DW�WKH�WUDQVPLWWHU��6LQFH��WKLV�VLJQDOLQJ�VFKHPH�GRHV�QRW�SXW�

KLJK� FRQVWUDLQWV� RQ� MLWWHU� VSHFV�� WKH� ULQJ� RVFLOODWRU� LV� WKH� EHVW� FKRLFH�� 5LQJ� RVFLOODWRUV� KDYH� D�

ZLGHU� UDQJH�� DQG� D� ORZHU� FRVW� WKDQ� /&� RVFLOODWRUV� �>��@�� 6LQFH� WKH� WDUJHW� IUHTXHQF\� VKRXOG� EH�

FRYHUHG�RYHU� DOO� SRVVLEOH�RSHUDWLQJ� FRQGLWLRQV�� WKH�ZLGH� WXQLQJ� UDQJH�RI� WKH� ULQJ�RVFLOODWRUV� LV�

UHTXLUHG�WR�FRPSHQVDWH�IRU�WKH�YDULDWLRQ�RI�WKH�FHQWHU�IUHTXHQF\�DFURVV�397��

7KHUH�DUH�WZR�SRSXODU�GHVLJQ�WHFKQLTXHV�IRU�D�ULQJ�RVFLOODWRU�EDVHG�'&2��7KH�ILUVW�WHFKQLTXH�

LV�FKDQJLQJ�WKH�GULYLQJ�VWUHQJWK�RI�WKH�026)(7�E\�FRQWUROOLQJ�WKH�FXUUHQW��7KH�RWKHU�WHFKQLTXH�

LV� WXQLQJ� D� VKXQW� FDSDFLWRU� ORDG� IRU� GLIIHUHQW� RXWSXW� IUHTXHQFLHV�� 7KHUH� DUH� PDQ\� ZD\V� RI�

DSSO\LQJ�WKHVH�WHFKQLTXHV�RQ�D�'&2�GHVLJQ�SXEOLVKHG�LQ�WKH�OLWHUDWXUH��>��@���>��@���>��@���>��@��7KH�

ILUVW�WHFKQLTXH�PHQWLRQHG�LV�XVHG�LQ�RXU�'&2�GHVLJQ���

)LJXUH������VKRZV�WKH�EORFN�GLDJUDP�RI�WKH�SURSRVHG�VLPSOH�'&2��,W�FRQVLVWV�RI�WKUHH�LQYHUWHU�

VWDJHV�VKDULQJ�WKH�VDPH�ILQH�DQG�FRDUVH�WXQH�WUDQVLVWRUV��)LJXUH������VKRZV�WKH�GLIIHUHQWLDO�LQYHUWHU�

Page 70: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

EDVHG�ULQJ�RVFLOODWRU��&URVV�FRXSOHG�LQYHUWHUV�DUH�XVHG�WR�JXDUDQWHH�D�GLIIHUHQWLDO�RXWSXW��7KH�ULQJ�

RVFLOODWRU�JHQHUDWHV�D�FORFN�ZKRVH�IUHTXHQF\�LV�FRQWUROOHG�E\�IRXU�ELQDU\�FRDUVH�ELWV�IRU�D�FRDUVH�

IUHTXHQF\� VWHS�� DQG� ILYH� ELQDU\� ILQH� ELWV� IRU� D� ILQH� IUHTXHQF\� VWHS�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH�

SURSRVHG�'&2�RXWSXW�IUHTXHQFLHV�IRU�GLIIHUHQW�FRDUVH�DQG�ILQH�ZRUGV�DW�D�W\SLFDO�SURFHVV�FRUQHU��

�9�DQG����϶F��7KHUH�DUH����FXUYHV��HDFK�FXUYH�UHSUHVHQWV�WKH�RXWSXW�'&2�IUHTXHQF\�YHUVXV�WKH�

ILQH�ZRUG�IRU�D�JLYHQ�FRDUVH�ZRUG���

)LQH�7XQH�30RV

)LQH�7XQH�10RV&RDUVH�7XQH�10RV

&RDUVH�7XQH�30RV

,Q�

,Q�

2XW�

2XW�

Figure 3.8 Block diagram of the proposed DCO

^&RDUVH�DQG�ILQH�ELWV�3026�WUDQVLVWRUV

^&RDUVH�DQG�ILQH�ELWV�1026�WUDQVLVWRUV

Figure 3.9 DCO cell schematic

Figure 3.10 Post-layout simulation results showing the output frequency curves for different coarse and fine words

Page 71: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7KH�RXWSXW�IUHTXHQF\�RI�WKH�GLJLWDO�FRQWUROOHG�RVFLOODWRU�LV�JLYHQ�E\��

� ௨௧ܨ = + ܨ ܭ + ௦ܭ ௦� �����6�

ZKHUH�Fout� LV� WKH�'&2�RXWSXW� IUHTXHQF\��WCoarse DQG�WFine� DUH� WKH�'&2� LQSXW� FRDUVH� DQG� ILQH�

ZRUG��UHVSHFWLYHO\��KCoarse DQG�KFine�LV�WKH�'&2�JDLQ�IRU�WKH�FRDUVH�DQG�ILQH�ZRUGV��UHVSHFWLYHO\��

Fo�LV�WKH�RVFLOODWRU�IUHH�UXQQLQJ�IUHTXHQF\�DW WCoarse �0�DQG�WFine� �0��7KH�OLQHDULW\�RI�WKH�'&2�

FXUYHV�ZLOO� KHOS� GHILQH� D� FRQVWDQW�KFine� IRU� HDFK� FRDUVH�ZRUG��Kfine� GHILQHV� WKH� IUHTXHQF\� VWHS�

XSRQ� ZKLFK� WKH� SURJUDPPDEOH� '/)� FRHIILFLHQWV� DUH� DGMXVWHG�� 7KH� OHQJWK� RI� WKH� ILQH� ELWV�

WUDQVLVWRUV�LV�VHW�WR�QRQ�PLQLPXP�OHQJWK��WR�DFKLHYH�D�OLQHDU�IUHTXHQF\�UHVSRQVH�DQG�LPSURYH�WKH�

'&2�UHVROXWLRQ�IRU�EHWWHU�MLWWHU�SHUIRUPDQFH��

&RDUVH� WXQLQJ� ELWV� SURYLGH� FRDUVH� IUHTXHQF\� VWHSV� IRU� D� EURDG� UDQJH� RI� IUHTXHQFLHV� WKDW�

DFFRXQW�IRU�WKH�397�YDULDWLRQ��)LQH�WXQLQJ�ELWV�SURYLGH�ILQH�IUHTXHQF\�VWHSV�IRU�D�QDUURZ�UDQJH�

RI� IUHTXHQFLHV� WKDW� DFFRXQW� IRU� WKH� SKDVH� WUDFNLQJ� PRGH�� 7KH� RVFLOODWRU� LV� FRQWUROOHG� E\� D�

WKHUPRPHWHU�FRGH�UDWKHU�WKDQ�D�ELQDU\�FRGH�WR�HQVXUH�PRQRWRQLF�LQFUHDVH��7KHUPRPHWHU�GHFRGHU�

LV�XVHG�WR�FRQYHUW�WKH�ELQDU\�ELWV�WR�WKHUPRPHWHU�ELWV���

3.3.4. Frequency Acquisition Loop

7KH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ� ORRS� FRQVLVWV� RI� D� IUHTXHQF\� GHWHFWRU�� D� 08;�� D� WKHUPRPHWHU�

HQFRGHU��D�'&2��DQG�D�GLYLGH�E\�ILYH��7KH�GLYLGH�E\�ILYH�LV�XVHG�DV�D�IUHTXHQF\�SUHVFDOHU�IRU�WKH�

KLJK� RXWSXW� '&2� IUHTXHQF\�� VR� WKDW� WKH� IUHTXHQF\� GHWHFWRU� FDQ� RSHUDWH� DW� WKH� SUHVFDOHG�

IUHTXHQF\�DQG�GLJLWDOO\�LPSOHPHQWHG��7KH�IUHTXHQF\�GHWHFWRU�VKRZQ�LQ�)LJXUH�������FRQVLVWV�RI�D�

��ELW� FRXQWHU�� D� FRQWURO� XQLW�� D� FRPSDUDWRU�� DQG� D�%60�VWDWH�PDFKLQH��7KH� FRXQWHU� FRXQWV� WKH�

QXPEHU�RI� WKH�'&2�FORFN�F\FOHV�LQ�RQH�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOH��7KHQ�� WKH�FRPSDUDWRU�FRPSDUHV�

EHWZHHQ�WKH�QXPEHU�RI�WKH�'&2�FORFN�F\FOHV�DQG�N��DQG�DFFRUGLQJO\�JHQHUDWHV�WKH�FAST/SLOW�

Page 72: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

VLJQDO��7KH�ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP�DFFHSWV�WKH�FAST/SLOW�VLJQDO��DQG�VHOHFWV�WKH�FRDUVH�ZRUG�

WKDW��UHVXOWV�LQ�DQ�RXWSXW�IUHTXHQF\�FORVH�WR�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\���

Counter

Count

Enable RST

FDCO

Control Signals

GenerationFref

D Q

N

+

-

Binary Search State Machine

FAST/SLOW

Frequency Locked

Coarse Bits

Fine Bits

Sample_count

Figure 3.11 Block diagram of the frequency detector

3.3.4.1. Counter and Comparator

$� ��ELW� FRXQWHU� LV� XVHG� WR� FRXQW� WKH� QXPEHU� RI� WKH� '&2� RXWSXW� FORFN� F\FOHV� LQ� D� VLQJOH�

UHIHUHQFH�FORFN�SHULRG��6LQFH�WKH�FRXQWHU�LV�LPSOHPHQWHG�XVLQJ�VWDQGDUG�FHOOV��LW�FDQQRW�RSHUDWH�

DW�VXFK�KLJK�IUHTXHQF\����*+]���7KXV��WKH�'&2�RXWSXW�FORFN�LV�SUHVFDOHG�E\�GLYLGLQJ�LW�E\�ILYH���

7KH�FRXQWHU�LV�EDVHG�RQ�WKUHH�VWDWHV��UHVHW��FRXQW��DQG�KROG��7KH�WZR�FRQWURO�VLJQDOV��µHQDEOH¶�

DQG� µUHVHW¶� DUH� JHQHUDWHG� IURP� WKH� UHIHUHQFH� FORFN�� DQG� DUH� XVHG� WR� FUHDWH� WKH� WKUHH� VWDWHV��

7KHUHIRUH��WKH�FRXQWHU�LV�DV\QFKURQRXV��LW�RSHUDWHV�DW�WZR�GLIIHUHQW�FORFN�GRPDLQV��WKH�KLJK�'&2�

FORFN� IUHTXHQF\�� DQG� WKH� UHIHUHQFH� IUHTXHQF\�� 0HWDVWDELOLW\� LV� DQ� LQKHUHQW� SURSHUW\� LQ� DQ\�

DV\QFKURQRXV�EORFN�� ,Q�D�PHWDVWDEOH�FRQGLWLRQ�� WKH�FLUFXLW� LV�XQDEOH� WR�VHWWOH�DW�D�GHILQHG� ORJLF�

YDOXH��7KLV�PHWDVWDELOLW\�VWDWH�PD\�OHDG�WR�DQ�HUURU� LQ�WKH�QXPEHU�RI�F\FOH¶V�FRXQW��ZKLFK�PD\�

UHVXOW�LQ�DQ�RXWSXW�IUHTXHQF\�IDU�IURP�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\��$�ODUJH�LQLWLDO�IUHTXHQF\�GLIIHUHQFH�

ZLOO�LQFUHDVH�WKH�DFTXLVLWLRQ�ORFN�WLPH��DQG�PD\�OHDG�WR�LQVWDELOLW\��6\QFKURQL]HUV�DUH�GHVLJQHG�WR�

Page 73: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

UHVROYH� WKH�PHWDVWDELOLW\�� DQG� UHGXFH� WKH� WLPH�RI�DQ�XQGHILQHG�VWDWH��$V� VKRZQ� LQ�)LJXUH� �������

WZR�'� IOLS�IORSV� DUH� FORFNHG�ZLWK� WKH� KLJK� FORFN� IUHTXHQF\�� DQG� DUH� XVHG� WR� V\QFKURQL]H� WKH�

JHQHUDWHG� µHQDEOH¶� DQG� µUHVHW¶� VLJQDOV�ZLWK� WKH�'&2�IUHTXHQF\��7KH� H[SHFWHG�PD[LPXP�FRXQW�

HUURU�LV��������

Fref

Enable

RST

FDCO

Enable_sync

RST_sync

Control Signals

GenerationD Q

D Q

Figure 3.12 Frequency detector synchronizer used to resolve metastability, and reduce the period of undefined state.

3.3.4.2. Control Signals

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� FRQWURO� VLJQDOV� JHQHUDWHG� IURP� WKH� UHIHUHQFH� FORFN�� WKH� FRXQWHU�

GLIIHUHQW� VWDWXV�� DQG� WKH� FRPSDUDWRU� VWDWXV�� 7KHUH� DUH� WKUHH� FRQWURO� VLJQDOV� JHQHUDWHG� IURP� WKH�

UHIHUHQFH�FORFN��Enable��RST��DQG�Sample_Count ��7KH�Enable�DQG�RST�VLJQDOV�FUHDWH�WKH�WKUHH�

VWDWHV�RI�WKH�FRXQWHU��DV�VXPPDUL]HG�LQ�7DEOH�������,Q�WKH�ILUVW�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOH��Enable �1�

DQG�RST �0��VR�WKH�FRXQWHU�UHVHWV�IRU�D�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOH��:KHQ�RST�LV�VHW�WR�1�LQ�WKH�VHFRQG�

UHIHUHQFH� FORFN� F\FOH�� WKH� FRXQWHU� VWDUWV� FRXQWLQJ� WKH� QXPEHU� RI� '&2� FORFN� F\FOHV� LQ� RQH�

UHIHUHQFH�FORFN�SHULRG��$IWHU�WKDW��WKH�Enable�VLJQDO�JRHV�ORZ��DQG�WKH�FRXQWHU�KROGV�WKH�F\FOHV�

FRXQW�IRU�DQRWKHU�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOH��Sample_Count VLJQDO�LV�XVHG�WR�VDPSOH�WKH�'&2�F\FOHV�

FRXQW�LQ�WKH�PLGGOH�RI�WKH�KROG�VWDWH��7KXV��WKH�FRPSDUDWRU�RSHUDWHV�DW�D�ORZ�IUHTXHQF\�FreI����

Page 74: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

Table 3.2 Three states of the counter

State Enable RST

reset �� ��

counting �� ��

hold �� [�

Enable

RST

Fref

Count=0 Counting Hold Count=0 Counting HoldCounter status

Count>NFAST/SLOW=0

Sample_Count

Comparator Count<NFAST/SLOW=1

Figure 3.13 Control signals of the counter; ‘reset’ and ‘enable’ signals, counter status and comparator output

Page 75: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.3.4.3. Binary Search Finite State Machine

$� ELQDU\� VHDUFK� DOJRULWKP� �%6$�� DFWV� DV� D� IUHTXHQF\� VHDUFK� DOJRULWKP� �>��@�� �>��@�� �>��@� WR�

DFKLHYH� D� IDVWHU� ORFN� LQ� WLPH�� 7KH� DFTXLVLWLRQ� ORFN� WLPH� LV� GLUHFWO\� SURSRUWLRQDO� WR� WKH� LQLWLDO�

IUHTXHQF\� GLIIHUHQFH�� &RQVHTXHQWO\�� WR� UHGXFH� WKH� DFTXLVLWLRQ� WLPH�� D� VPDOO� LQLWLDO� IUHTXHQF\�

GLIIHUHQFH�LV�DFKLHYHG�WKURXJK�WKH�ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP��7KH�ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP�VHDUFKHV�

IRU�WKH�FRDUVH��DQG�ILQH�ELWV�WKDW�DFKLHYH�DQ�RXWSXW�IUHTXHQF\�YHU\�QHDU�WR�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\��,W�

WDNHV�IRXU�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOHV�WR�ILQG�WKH�FRDUVH�ZRUG��DQG�ILYH�UHIHUHQFH�FORFN�F\FOHV�WR�ILQG�

WKH�ILQH�ZRUG��6LQFH�WKH�FRPSDUDWRU�RSHUDWHV�DW�WKH�UDWH�RI�Fref/3�� WKH�IUHTXHQF\�ORFN�WLPH�LV����

UHIHUHQFH�FORFN�F\FOHV��

�)LJXUH� ������VKRZV� WKH� VWDWH�GLDJUDP�RI� WKH�ELQDU\� VHDUFK� DOJRULWKP��S0� LV� WKH� LQLWLDO� VWDWH��

ZKHUH�WKH�FRDUVH�DQG�ILQH�ELWV�DUH�LQLWLDOL]HG�WR�EH�LQ�WKH�PLGGOH�RI� WKH�UDQJH�1000�DQG�10000��

UHVSHFWLYHO\��S1–S4�GHWHUPLQH�WKH�FRDUVH�ELWV�DQG�S5–S9�GHWHUPLQH�WKH�ILQH�ELWV��,Q�HDFK�VWDWH��WKH�

DOJRULWKP�GHWHUPLQHV�D�ELW��VWDUWLQJ�IURP�WKH�PRVW�VLJQLILFDQW�ELW�WR�WKH�OHDVW�VLJQLILFDQW�ELW��������������������

&% ����)% �����

UHVHW

UHVHW

UHVHW

UHVHW UHVHW

UHVHW

UHVHW

UHVHW

UHVHW

UHVHW

Figure 3.14 State machine of the binary search algorithm

Page 76: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.3.5. Phase Loop

3.3.5.1. Phase Detector

$� VLQJOH� IOLS�IORS� VKRZQ� LQ� )LJXUH� ������ LV� XVHG� DV� D� %LQDU\� 3KDVH� 'HWHFWRU� �%3'�� WKDW�

JHQHUDWHV�DQ�UP/DN�VLJQDO� WR�LQGLFDWH�ZKHWKHU� WKH�GLYLGHG�'&2�FORFN�IUHTXHQF\�OHDGV�RU� ODJV�

WKH� UHIHUHQFH� FORFN� IUHTXHQF\�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKH� WUDQVIHU� IXQFWLRQ� RI� %%3'� �WKH�UP/DN�

VLJQDO�YHUVXV�WKH�SKDVH�GLIIHUHQFH���

ʌ�ʌ

83�'1

ȴ

)UHI

)GLY

1D Q 83�'1

Figure 3.15 (a) Single flip flop act as binary phase detector (b) Output transfer function of BPD

3.3.5.2. Frequency Divider

7KH� IUHTXHQF\� GLYLGHU� LV� XVHG� LQ� WKH� IHHGEDFN� SDWK� RI� WKH� 3//�� GLYLGLQJ� WKH�'&2� RXWSXW�

FORFN�IUHTXHQF\�E\�N��7KH�IUHTXHQF\�GLYLGHU�QHHGV�WR�EH�SURJUDPPDEOH�WR�JHQHUDWH�D�UDQJH�RI�

RXWSXW�IUHTXHQFLHV��$W�HDFK�VXEVHTXHQW�VWDJH�RI�WKH�IUHTXHQF\�GLYLGHU��WKH�VSHHG�LV�ORZHU�DQG�VR�

LV� WKH� SRZHU�� 6LQFH� ZH� DUH� SODQQLQJ� WR� V\QWKHVL]H� WKH� $'3//� GLJLWDO� EORFNV�� D� IUHTXHQF\�

SUHVFDOHU� LV� QHHGHG� WR� UHGXFH� WKH� PD[LPXP� RSHUDWLQJ� IUHTXHQF\� RI� WKH� VWDQGDUG� FHOOV�� 7KH�

IUHTXHQF\�SUHVFDOHU� LV� WKH�GLYLGHU�EORFN�WKDW� WKH�RVFLOODWRU�GULYHV��7KLV�IUHTXHQF\�SUHVFDOHU� LV�D�

FKDOOHQJLQJ�EORFN��EHFDXVH�LW�RSHUDWHV�DW�WKH�RVFLOODWRU�IUHTXHQF\���

7KH�RXWSXW�IUHTXHQF\�UDQJH�LV�����*+]�ZLWK����0+]�IUHTXHQF\�VWHS�QHHGV�D�GLYLVLRQ�UDWLR�

UDQJH�IURP����WR�����ZLWK�D�VWHS�RI�ILYH��7KXV��D�GLYLGH�E\�ILYH�LV�XVHG�DV�D�IUHTXHQF\�SUHVFDOHU�

Page 77: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

IROORZHG�E\�D�GLJLWDO�V\QFKURQRXV�SURJUDPPDEOH�GLYLGHU�ZLWK�D�UDQJH�IURP����WR�����)LJXUH�������

VKRZV�WKH�VFKHPDWLF�RI� WKH�SUHVFDOHU�EORFN��GLYLGH�E\�ILYH���7KH�SUHVFDOHG�FORFN�LV�XVHG�DV�WKH�

LQSXW�FORFN�IRU�WKH�IUHTXHQF\�DFTXLVLWLRQ�ORRS��DQG�WKH�ILUVW�RUGHU�Ȉǻ�PRGXODWRU��

D Q D QD Q

'&2BFON

FON�

Figure 3.16 Divide-by-five; frequency prescaler

3.3.5.3. Sigma Delta Modulator

�7KH� IUDFWLRQDO� SDUW� RI� WKH� '/)� LQWHJUDO� SDWK� ELWV� HPSOR\V� D� WLPH� DYHUDJHG� GLWKHULQJ�

PHFKDQLVP�WR�LQFUHDVH�WKH�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ��'LWKHULQJ�LV�SHUIRUPHG�E\�D�GLJLWDO�6LJPD�'HOWD�

�ɇȴ�� PRGXODWRU� WKDW� DFFHSWV� WKH� IUDFWLRQDO� ELWV� DQG� SURGXFHV� KLJK� UDWH� LQWHJHU� VWUHDP�� ZKRVH�

DYHUDJH� YDOXH� HTXDOV� WR� WKH� ORZ� UDWH� IUDFWLRQDO� LQSXW� �>��@��7KH�ɇȴ�PRGXODWRU� LV� FRQVLGHUHG� DQ�

HVVHQWLDO�EORFN� WR� LPSURYH� WKH�'&2�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ��DQG�UDQGRPL]H� WKH�RXWSXW� IUHTXHQF\�

FRPSRQHQWV�WKDW�UHVXOWV�LQ�VSXULRXV�WRQH��

1

1��

$YHUDJH

N: integer fine bits71��

71

Figure 3.17 DCO dithering by changing the fine bits at high rate

Page 78: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

�)LJXUH�������UHYHDOV�WKH�SULQFLSOH�LQ�ZKLFK�WKH�LQWHJHU�ILQH�ELW�LV�SHULRGLFDOO\�DOWHUHG�IURP�1�

WR�1����7KH�UHVXOWLQJ�DYHUDJH�ILQH�ELW�LV�

�= ே + ( + 1) ேାଵ

ே + ேାଵ

= + ே

ே + ேାଵ �

�����6�

ZKHUH�N�UHSUHVHQWV�WKH�LQWHJHU�ELWV��TN�LV�WKH�SHULRG�WKDW�WKH�FRQWURO�ILQH�ZRUG�HTXDOV�WR�N��TN+1�LV�

WKH�SHULRG�WKDW�WKH�FRQWURO�ILQH�ZRUG�HTXDOV�WR�N+1�DQG���� ାశభ

��LV�HTXLYDOHQW�WR�WKH�IUDFWLRQDO�

ELWV���

�)LJXUH�������VKRZV�WKH�EORFN�GLDJUDP�RI�WKH�ILUVW�RUGHU�ɇȴ�PRGXODWRU��,W�LV�DFFXPXODWRU�EDVHG�

�>��@�� DQG� FRQVLVWV� RI� D� ��ELW� DGGHU� DQG� '�))V�� 7KH� DFFXPXODWRU� LQ� RXU� GHVLJQ� DFFHSWV� IRXU�

IUDFWLRQDO� ELWV�� DQG� RSHUDWHV� DW� WKH� SUHVFDOHG� IUHTXHQF\� FDCO���� 7KH� DFFXPXODWRU� YDOXH� Xn�

LQFUHDVHV�E\�WKH�YDOXH�RI�WKH�LQSXW�IUDFWLRQDO�ELWV�HYHU\�FORFN�F\FOH�XQWLO�LW�UHDFKHV�WKH�PD[LPXP�

YDOXH��$IWHU� WKDW�� WKH�DFFXPXODWRU�ZLOO�RYHUIORZ�DQG�VHW� WKH�Carry��Carry� LV� WKH�Ȉǻ_bit� WKDW� LV�

XVHG� WR�FRQWURO� WKH� ILQH�ELWV� IRU�GLWKHULQJ��)RU�H[DPSOH�� LI� WKH� IUDFWLRQDO�ELWV� �0100� L�H����� WKH�

DFFXPXODWRU�DGGV�DQ�LQFUHPHQW�YDOXH�RI���HYHU\�IDVW�FORFN�F\FOH��XQWLO�LW�RYHUIORZV�DQG�VHWV�WKH�

carry�� 7KHUHIRUH�� WKH� FDUU\� RXW� ZLOO� EH� KLJK� IRU� RQH� F\FOH� DQG� ORZ� IRU� �� F\FOHV� JHQHUDWLQJ� D�

$GGHU

Z -1

�)UDFWLRQ�ELWV

ȈǻBELW

;Q��

;Q

FDUU\

Figure 3.18 Block diagram of Ȉǻ modulator, it consists of adder and D-FFs

Page 79: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

IUDFWLRQ� RI� ¼�� 7KH� DFFXPXODWRU� YDOXH� DQG� LWV� FDUU\� DUH� VXPPDUL]HG� F\FOH� E\� F\FOH� IRU� WKH�

IUDFWLRQDO�ELWV�0100�DQG�0110�LQ�7DEOH������DQG�7DEOH�������UHVSHFWLYHO\������������������������������������������

Table 3.3 Example illustrates the operation of 1st order Ȉǻ modulatorwith fractional bits =0100=1/4

&ORFN�F\FOH�n� �� �� �� �� �� �� �� �� �� � �� ��� ��� ���

Xn �� �� �� ��� �� �� �� ��� �� �� �� ��� ��

Xn-1 1�$� �� �� �� ��� �� �� �� ��� �� �� �� ���

carry/ Ȉǻ_bit �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� ���

Table 3.4 Example illustrates the operation of 1st order Ȉǻ modulatorwith fractional bits =0110=3/8

&ORFN�F\FOH�n� �� �� �� �� �� �� �� �� �� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ���

Xn �� �� ��� �� �� ��� �� ��� �� �� ��� �� �� ��� �� ��� ��

Xn-1 1�$� �� �� ��� �� �� ��� �� ��� �� �� ��� �� �� ��� �� ���

carry/ Ȉǻ_bit �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� �� ���

7KH� GLWKHULQJ� UDWH� KDV� WR� EH� KLJKHU� WKDQ� WKH� XSGDWH� F\FOH� RI� WKH� IUDFWLRQ� ELWV�� DQG� WKH�

UHVROXWLRQ�RI�WKH�WLPH�DYHUDJHG�YDOXH�UHOLHV�RQ�WKH�GLWKHULQJ�VSHHG��+HQFH��WKHUH�LV�D�SURSRUWLRQDO�

UHODWLRQVKLS�EHWZHHQ�WKH�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ�LPSURYHPHQW�DQG�WKH�GLWKHULQJ�UDWH��7KHUHIRUH��LW�

LV�SUHIHUDEOH�WR�FORFN�WKH�Ȉǻ�PRGXODWRU�ZLWK�WKH�KLJKHVW�SRVVLEOH�IUHTXHQF\��7KH�OLPLWDWLRQ�KHUH�

LV�LQ�WKH�GLJLWDO�GHVLJQ�RI�WKH�Ȉǻ�PRGXODWRU��WKH�PD[LPXP�IUHTXHQF\�FDQ�EH�DFKLHYHG�XVLQJ�WKH�

VWDQGDUG�FHOOV��,Q�RXU�GHVLJQ��WKH�Ȉǻ�PRGXODWRU�LV�FORFNHG�ZLWK�FDCO����

3.3.5.4. Digital Loop Filter (DLF)

7KH� GLJLWDO� ORRS� ILOWHU� �'/)�� LV� WKH� VHFRQG� PRVW� FKDOOHQJLQJ� EORFN� LQ� WKH� '3//� GHVLJQ��

EHFDXVH�WKH�ORRS�G\QDPLFV�RI�WKH�'3//�LV�GHILQHG�WKURXJK�WKH�'/)�FRHIILFLHQW��6LQFH��WKH�'/)�

FRHIILFLHQWV� DUH� SURJUDPPDEOH�� WKH� ORRS� G\QDPLFV� DUH� DOVR� SURJUDPPDEOH�� ZKLFK� LV� D� YHU\�

LQWHUHVWLQJ�SURSHUW\�QRW�IRXQG�LQ�DQDORJ�ORRS�ILOWHUV��7KH�ELQDU\�SKDVH�LQIRUPDWLRQ�LV�IHG�IURP�WKH�

Page 80: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

%3'�LQWR�WKH�'/)��7KH�'/)�LV�FORFNHG�E\�WKH�GLYLGHG�FORFN�FDIV��ZKLFK�LV�LQ�D�ORFNHG�FRQGLWLRQ�

V\QFKURQL]HG�ZLWK�WKH�UHIHUHQFH�FORFN Fref���

7KH�SURSRVHG�'/)�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������LW�FRQVLVWV�RI�SURSRUWLRQDO�DQG�LQWHJUDO�SDWKV�ZLWK�

FRHIILFLHQWV�ȕ�DQG�Į��UHVSHFWLYHO\��7KH�SURSRUWLRQDO�SDWK�LV�D�GLUHFW�SDWK�IURP�WKH�RXWSXW�RI� WKH�

SKDVH� GHWHFWRU� WR� WKH� FRQWURO� ELWV� RI� WKH� '&2�� 7KH� SURSRUWLRQDO� SDWK� LV� LPSRUWDQW� IRU� ORRS�

VWDELOLW\��EHFDXVH�WKH�LQWHJUDO�SDWK�LV�VORZ�LQ�D�ZD\�WKDW�WKH�FORFN�FDQ�JR�RXW�RI�SKDVH�EHIRUH�WKH�

LQWHJUDO�SDWKV�UHVSRQG��

ȕ

÷DĮ ɇ

3URS�ELWV

Z -1)UDFWLRQ�ELWV

)LQH�ELWVB3/�

,QW�ELWV

DLF

83�'1

��

Figure 3.19 Block diagram of the digital loop filter

7KH�SUHVHQFH�RI�WKH�ELQDU\�SKDVH�GHWHFWRU�LQWURGXFHV�QRQ�OLQHDULW\�LQ�WKH�3//�ORRS��'HVSLWH�

WKH�HIIRUWV�DQG� WKH�UHVHDUFK�VSHQW�RQ�GHULYLQJ�D� OLQHDU�PRGHO� IRU� WKH�EDQJ�EDQJ�$'3//� LQ� WKH�

OLWHUDWXUH� �>��@�� �>��@�� WKHUH� LV� QR� GHILQLWH� GHVLJQ�PHWKRGRORJ\� IRU� WKH� %%$'3//��8VXDOO\�� WKH�

QRQOLQHDU� V\VWHPV�DUH� MXVW� VLPXODWHG�PDVVLYHO\� LQ�RUGHU� WR�GHULYH� WKHLU� SHUIRUPDQFH��7KH�'/)�

FRHIILFLHQWV� Į� DQG�ȕ� DUH� SURJUDPPDEOH� DQG� WKHLU� YDOXHV� DUH� GHVLJQHG� WR� GHSHQG�RQ� WKH� FRDUVH�

ZRUG�L�H��WKH�VORSH�RI�'&2�FXUYHV��

7KH�SURSRUWLRQDO�SDWK�DFFHSWV�D�VLQJOH�ELW�UP/DN�IURP�WKH�%3'�DQG�JHQHUDWHV�D�WKHUPRPHWHU�

FRGH�GHSHQGLQJ�RQ�WKH�YDOXH�RI�ȕ��7KH�LQWHJUDO�SDWK�DFFHSWV�D�VLQJOH�ELW�UP/DN� IURP�WKH�%3'�

DQG�JHQHUDWHV�QLQH�ELWV��WKH�ILYH�06%�DUH�WKH�ILQH�ELWV��WKH�IRXU�/6%�DUH�WKH�IUDFWLRQDO�FRGH��7KH�

FRHIILFLHQW�D�GHWHUPLQHV�WKH�XSGDWH�UDWH�RI�WKH�LQWHJUDO�ZRUG��7KH�FRHIILFLHQW�D�LV�SURJUDPPDEOH�

Page 81: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

WR�EH�HLWKHU�RQH�RU�WZR��D ���PHDQV�WKDW�WKH�LQWHJUDO�ZRUG�LV�XSGDWHG�HYHU\�RQH�UHIHUHQFH�FORFN�

F\FOH� D � �� PHDQV� WKDW� WKH� LQWHJUDO� ZRUG� LV� XSGDWHG� HYHU\� WZR� UHIHUHQFH� FORFN� F\FOH�� 7KH�

FRHIILFLHQW� D� LV� LPSRUWDQW� IRU� ORRS� VWDELOLW\�� 7KH� LQWHJUDO� SDWK� FRHIILFLHQW� Į� GHWHUPLQHV� WKH�

LQWHJUDO�SDWK�JDLQ�DQG�LV�FRQWUROOHG�WKURXJK�VKLIWLQJ�WKH�ELWV�WR�WKH�ULJKW�RU�OHIW��

3.3.6. Proposed BBADPLL Model

7KH�SUHVHQFH�RI�D�ELQDU\�SKDVH�GHWHFWRU�LQWURGXFHV�D�QRQ�OLQHDULW\�LQ�WKH�3//�ORRS��7KXV��WKH�

WUDGLWLRQDO�/DSODFH�WUDQVIRUP�WKDW�LV�XVHG�LQ�PRGHOLQJ�WKH�OLQHDU�3//V�LV�QR�ORQJHU�YDOLG��8VXDOO\��

WKH� QRQOLQHDU� V\VWHPV� DUH� MXVW� VLPXODWHG� PDVVLYHO\� LQ� RUGHU� WR� GHULYH� WKHLU� SHUIRUPDQFH��

+RZHYHU��LQ�WKLV�WKHVLV��8VHIXO�H[SUHVVLRQV�WKDW�PRGHO�WKH�'/)�DUH�SUHVHQWHG�IRU�WKH�GHVLJQ�DQG�

RSWLPL]DWLRQ�RI�WKH�SURJUDPPDEOH�'/)�FRHIILFLHQWV��7KH�GHULYHG�H[SUHVVLRQV�IRU�WKH�3//�PRGHO�

JLYH� DQ� LQVLJKW� RQ� WKH� HIIHFW� RI� FKDQJLQJ� WKH� '/)� FRHIILFLHQWV� RQ� WKH� ORRS� G\QDPLFV�� 7KH�

SURSRVHG�'/)�EDVHG�%%$'3//�PRGHO�LV�VKRZQ�LQ�)LJXUH��������

ȕ

Į

Z -1

UP/DN

Xprop

��

ɇ

ɇXint

Wfine

)LQH�ELWV

%3'

Ҁdiv

Ҁref

r

Figure 3.20 BBADPLL Model

7KH�RXWSXW�DQJXODU�IUHTXHQF\�RI�WKH�'&2�DW�WLPH�t�LV��

� ை(ݐ) = + ο (ݐ)� �����V�

ZKHUH�Ȧo� LV� WKH� LQLWLDO�'&2�RXWSXW� DQJXODU� IUHTXHQF\� UHVXOWHG� IURP� WKH� IUHTXHQF\� DFTXLVLWLRQ�

ORRS��ǻȦ� LV� WKH� IUHTXHQF\� VWHS� UHVXOWHG� LQ� UHVSRQVH� WR� WKH� LQSXW�SKDVH�HUURU��7KH�RXWSXW�SKDVH�

�\௩ �RI�WKH�GLYLGHG�IUHTXHQF\�LV�JLYHQ�E�

Page 82: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

� = ௩1න (ݐ)

�ݐ �����V�

ZKHUH�N�LV�WKH�GLYLVLRQ�UDWLR��7KH�WLPH�GRPDLQ�RI�WKH�RXWSXW�SKDVH�௩ RI�WKH�GLYLGHG�IUHTXHQF\�

LV�FRQYHUWHG�WR�WKH�V�GRPDLQ�XVLQJ�/DSODFH�WUDQVIRUP�DV�IROORZV��

� (ݏ) ௩ =1 (

ο (ݏ)ݏ )� �����V�

�Xprop DQG�Xint�DUH�GHILQHG�DV�IROORZLQJ��

� = ൜ 0 ݑ/ = 0/ݑ 1 = 1

�� �����V�

� ௧ = ൜െ1 ݑ/ = 0/ݑ 1 = 1

�� �����V�

VLQFH��WKH�FRQWURO�LQSXWV�Xprop�DQG�Xint�DUH�SLHFHZLVH�FRQVWDQW�RYHU�WKH�VDPSOLQJ�SHULRG�Ts ��Fref��

ZKHUH�Fref�LV�WKH�UHIHUHQFH�IUHTXHQF\��=HUR�RUGHU�KROG�LV�XVHG�WR�FRQYHUW�IURP�FRQWLQXRXV�WLPH�WR�

GLVFUHWH�WLPH�PRGHO�DV�IROORZV��

�(ݖ) ௩ = ௦

ο (ݖ)

(1 െ �(ଵݖ �����V�

7KH� ]�GRPDLQ� RI� WKH� ILQH�ZRUG� VWHS�ο � UHVXOWV� LQ� UHVSRQVH� WR� WKH� WUDQVIHU� IXQFWLRQ� RI� WKH�

GLJLWDO�ORRS�ILOWHU�LV�JLYHQ�E\��

� ο (ݖ) = ߚ +ݎߙ

1 െ ଵݖ ௧� ������V�

ZKHUH�ȕ�LV�WKH�SURSRUWLRQDO�SDWK�JDLQ��Į�LV�WKH�LQWHJUDO�SDWK�JDLQ��DQG�r LV�WKH�IUDFWLRQDO�ZRUG�VWHS��

Page 83: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7KH�IUHTXHQF\�FKDQJH�ο (ݖ)��LV�JLYHQ�E\��

� ο (ݖ) = οܭߨ2 (ݖ)� ������V�

)URP������������������DQG����������WKH�RXWSXW�SKDVH�௩ (ݖ)�FDQ�EH�IRXQG�DV��

� (ݖ) ௩ =ܭ ߨ2

.(1ߚ െ (ଵݖ + ݎߙ ௧

(1 െ ଵ)ଶݖ � ������V�

�7KH�]�GRPDLQ�RI�WKH�RXWSXW�SKDVH�௩ �JLYHQ�E\���������LV�FRQYHUWHG�WR�GLVFUHWH�WLPH�GRPDLQ�DV�

IROORZV��

7KH�RXWSXW�SKDVH�HUURU�ο௩ LQ�GLVFUHWH�WLPH�GRPDLQ�LV�JLYHQ�E\��

� ο௩ [] = [] ௩ െ ] ௩ െ 1] � ������V�

7KH�GHULYHG�H[SUHVVLRQV�RI�WKH�RXWSXW�SKDVH�௩ �DQG�WKH�SKDVH�HUURU�ο௩ �SUHVHQWHG�LQ�����

����DQG� ��������� UHVSHFWLYHO\��KDYH�EHHQ�DQDO\]HG�XVLQJ�0DWODE�VFULSWV�DQG�YHULILHG�RQ�$'3//�

PRGHO�XVLQJ�0RGHOVLP��7KH�'/)�SURJUDPPDEOH�FRHIILFLHQWV�Į�DQG�ȕ�DUH�DGMXVWHG�EDVHG�RQ�WKH�

'&2�IUHTXHQF\�VWHS�L�H��Kfine��)LJXUH�������VKRZV�WKH�HIIHFW�RI�FKDQJLQJ�ȕ�RQ�WKH�DFTXLVLWLRQ�ORFN�

WLPH� DQG� WKH� MLWWHU� SHUIRUPDQFH�� )RU� D� GHILQHG� FRDUVH� ZRUG� L�H�� '&2� IUHTXHQF\� VWHS� Kfine��

LQFUHDVLQJ�ȕ�UHGXFHV�WKH�ORFN�LQ�WLPH��EXW�LQFUHDVHV�WKH�RXWSXW�MLWWHU�)LJXUH�������VKRZV�WKH�OLQHDU�

GHSHQGHQFH�RI�WKH�RXWSXW�506�MLWWHU�RQ�ȕ��,QFUHDVLQJ�ȕ��LQFUHDVHV�WKH�RXWSXW�506�MLWWHU�OLQHDUO\��

KHQFH��ODUJH�YDOXH�RI�ȕ�PD\�OHDG�WR�ORRS�LQVWDELOLW\��RYHUGDPSHG�UHVSRQVH����

�[] ௩ =

ܭ ߨ2

ቌ[])ߚ െ [ െ 1])

ݎߙ+ ௧[]െ௩ [ െ 2] + ] ௩2 െ 1]

ቍ��

������V�

Page 84: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

Figure 3.21 phase error transient response for coarse word=1 �D��ȕ ���E� ȕ �

Figure 3.22 7KH�HIIHFW�RI�LQFUHDVLQJ�ȕ�RQ�WKH�RXWSXW�506�jitter

Figure 3.23 (IIHFW�RI�ȕ�RQ�ORRS�VWDELOLW\�IRU�FRDUVH�ZRUG �

Figure 3.24 (IIHFW�RI�ȕ�RQ�ORRS�VWDELOLW\�IRU�FRDUVH�ZRUG �

)LJXUH� ������ DQG� )LJXUH� ������ VKRZ� WKH� RXWSXW� SKDVH� YV�� WLPH� IRU� GLIIHUHQW� YDOXHV� RI� ȕ� IRU�

FRDUVH�ZRUG�HTXDOV�WR���DQG����UHVSHFWLYHO\��,W�VKRZV�WKH�HIIHFW�RI�FKDQJLQJ�ȕ�RQ�ORRS�VWDELOLW\�IRU�

GLIIHUHQW� '&2� IUHTXHQF\� VWHSV�� )LJXUH� ������ VKRZV� WKDW� IRU� FRDUVH� ZRUG� HTXDOV� WR� WKUHH�� WKH�

PLQLPXP�YDOXH�RI�ȕ� IRU�D�VWDEOH�ORRS�HTXDOV� WR�WZR��ZKLOH�)LJXUH� ������VKRZV�WKDW�IRU�D�FRDUVH�

ZRUG� HTXDOV� WR� VL[�� WKH� PLQLPXP� YDOXH� RI� ȕ� IRU� D� VWDEOH� ORRS� HTXDOV� WR� WKUHH�� +HQFH�� WKH�

����

���

7LPH�E�

3KDVH�HUUR

U

����

���

7LPH�D�

3KDVH�HUUR

U

� � � � �EHWD

506�-LWWHU

506�-LWWHU�YHUVXV�EHWD

7LPH

2XWSXW�3

KDVH

&RDUVH�:RUG� ��

EHWD �EHWD �EHWD �

7LPH

2XWSXW�3

KDVH

&RDUVH�:RUG� ��

EHWD �EHWD �EHWD �EHWD �

Page 85: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

PLQLPXP�YDOXH�RI�WKH�SURSRUWLRQDO�FRHIILFLHQW�ȕ�IRU�D�VWDEOH�ORRS�GHSHQGV�RQ�WKH�'&2�IUHTXHQF\�

VWHS�L�H��'&2�ILQH�ELWV�JDLQ�Kfine�L�H��FRDUVH�ZRUG���

)LJXUH�������VKRZV�WKH�RXWSXW�SKDVH�YV��WLPH�IRU�GLIIHUHQW�YDOXHV�RI�Į��)RU�D�JLYHQ�FRDUVH�ZRUG�

L�H��'&2�VORSH�Kfine��DV�Į�LQFUHDVHV��WKH�RXWSXW�SKDVH�VWDUWV�WR�RVFLOODWH��6LQFH� ܨ௨௧ = Τݐ ��WKH�

RVFLOODWLRQV�LQ�WKH�RXWSXW�SKDVH�UHVXOWHG�LQ�YDULDWLRQV�LQ�WKH�RXWSXW�IUHTXHQF\��KHQFH��WKH�RXWSXW�

IUHTXHQF\�QRW�PRUH�ORFNHG�WR�WKH�WDUJHW�IUHTXHQF\��7KXV��IRU�D�JLYHQ�IUHTXHQF\�VWHS�DQG�ȕ��WKHUH�

LV�D�PLQLPXP�YDOXH�RI�Į�WR�JXDUDQWHH�ORRS�VWDELOLW\��7KH�FRHIILFLHQW�D�HQKDQFHV�WKH�ORRS�VWDELOLW\�

E\�UHGXFLQJ�WKH�UDWH�RI�WKH�LQWHJUDO�SDWK�UHVSRQVH��

Figure 3.25 The effect of changing Į RQ�WKH�RXWSXW�SKDVH�WUDQVLHQW�UHVSRQVH�IRU�FRDUVH�ZRUG ���ȕ � (a) Į=0.25, (b) Į=1, (c) Į=2

,QWXLWLYHO\��ZH�FDQ�VXPPDUL]H�WKH�HIIHFW�RI�Į��ȕ��DQG�D�DV�IROORZLQJ��7KH�VPDOO�YDOXH�RI�WKH�

SURSRUWLRQDO�FRHIILFLHQW�ȕ�PD\�OHDG�WR�ORRS�LQVWDELOLW\��XQGHUGDPSHG�UHVSRQVH���EHFDXVH�WKH�ORRS�

UHVSRQGV�VORZO\�WR�WKH�SKDVH�GLIIHUHQFH��,QFUHDVLQJ�WKH�YDOXH�RI�ȕ�ZLOO�VWDELOL]H�WKH�ORRS��EXW�ZLOO�

LQFUHDVH� WKH� MLWWHU�� /DUJH� YDOXHV� RI� ȕ� PD\� DOVR� FDXVH� ORRS� LQVWDELOLW\� �RYHUGDPSHG� UHVSRQVH���

7LPH�D�

2XWSXW�3

KDVH

7LPH�E�

2XWSXW�3

KDVH

7LPH�F�

2XWSXW�3

KDVH

2XWSXW�3KDVH�9V�7LPH

Page 86: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

+HQFH�� WKHUH� LV� DQ� RSWLPXP� YDOXH� RI� ȕ�� ZKLFK� VWDELOL]HV� WKH� ORRS� DQG� PLQLPL]HV� WKH� MLWWHU��

0RUHRYHU��ȕ�SOD\V�DQ�LPSRUWDQW�UROH�LQ�GHWHUPLQLQJ�WKH�DFTXLVLWLRQ�ORFN�WLPH��7KH�WUDGHRII�LQ�ȕ�

FDQ�EH�GHVFULEHG�DV�IROORZLQJ��WKH�DFTXLVLWLRQ�ORFN�WLPH�LV�LQYHUVHO\�SURSRUWLRQDO�WR�ȕ��ZKLOH�MLWWHU�

LV�GLUHFWO\�SURSRUWLRQDO�WR�ȕ��7KXV��LQFUHDVLQJ�ȕ�LQFUHDVHV�WKH�MLWWHU�DQG�UHGXFHV�WKH�ORFN�LQ�WLPH��

DQG�YLFH�YHUVD��)RU�VWDELOLW\�� WKH�Į� WR�ȕ� UDWLR�VKRXOG�EH�VPDOO�� VR� LI�ȕ� LV� LQFUHDVHG��Į� VKRXOG�EH�

UHGXFHG�WR�DYRLG�RYHUGDPSHG�UHVSRQVH�WR�WKH�SKDVH�GLIIHUHQFH��7KH�FRHIILFLHQW�D�HQKDQFHV�WKH�

ORRS�VWDELOLW\�E\�UHGXFLQJ�WKH�UDWH�RI�WKH�LQWHJUDO�SDWK�UHVSRQVH��7KH�PHWKRGRORJ\�RI�RXU�GHVLJQ�

LV�WR�SURJUDP�Į��ȕ,�DQG�D�DFFRUGLQJ�WR�WKH�'&2�IUHTXHQF\�VWHS��KFine��L�H��WKH�FRDUVH�ZRUG��7KH�

IUHTXHQF\�VWHS�ZLOO�GHWHUPLQH�Į� ȕ,�DQG�D�IRU�D�VWDEOH�ORRS�ZLWK�PLQLPXP�MLWWHU���

3.4. Simulation Results

0L[HG�VLJQDO�VLPXODWLRQV�RQ�FDGHQFH�IRU�$'3//�PD\�WDNH�RQH�RU�WZR�GD\V��ZKLOH�0RGHOVLP�

RQO\� WDNHV� DERXW� �� PLQXWHV� LQ� HDFK� UXQ�� 7KH� OLQHDULW\� RI� WKH� '&2� FXUYHV� ZDV� LPSRUWDQW� WR�

GHYHORS� DQ� HTXLYDOHQW� PRGHO� YHU\� FORVH� WR� WKH� DFWXDO� $'3//�� )RU� '&2�PRGHOLQJ�� � D� OLQHDU�

HTXDWLRQ�LV�JHQHUDWHG�IRU�HDFK�FXUYH��FRDUVH�ZRUG��LQ�WKH�IRUP�SUHVHQWHG�LQ���������7KH�HTXLYDOHQW�

PRGHO�XVHG� LQ�0RGHOVLP�KDG�D� UHVSRQVH�YHU\� FORVH� WR� WKH�DFWXDO�$'3//� UHVSRQVH��7KHUHIRUH��

LQLWLDOO\�ZKHQ�ZH�VWDUWHG�WR�GHVLJQ�WKH�'/)�FRHIILFLHQWV�UHTXLUHG�IRU�ORRS�VWDELOLW\�DQG�PLQLPXP�

ORFN�LQ�WLPH��ZH�QHHGHG�D�YHU\�IDVW�VLPXODWRU��0RGHOVLP�LV�XVHG�WR�YHULI\�WKH�IXQFWLRQDOLW\�RI�WKH�

GLJLWDO� EORFNV� DQG� RSWLPL]H� WKH� '/)� FRHIILFLHQWV� IRU� D� VWDEOH� ORRS�� $IWHU� DGMXVWLQJ� WKH�

FRHIILFLHQWV� RI� WKH�'/)�� WKH� ORRS� LV� VLPXODWHG� XVLQJ� WKH�PL[HG� VLJQDO� VLPXODWRU� LQ� FDGHQFH� WR�

YHULI\�0RGHOVLP�VLPXODWLRQV���

7KH�SURSRVHG�%%$'3//�ZDV�LPSOHPHQWHG�XVLQJ�D�760&�&026���QP�WHFKQRORJ\�ZLWK�D�

IUHTXHQF\�UDQJH��–��*+]�DQG�D�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ�RI����0+]���

Page 87: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.4.1. DCO Frequency Curves and The Equivalent Power Consumption

2XWSXW�IUHTXHQF\��*+]��YV��ILQH�ZRUG��&RDUVH�ZRUG�

'&2�SRZHU�FRQVXPSWLRQ�YV��ILQH�ZRUG��&RDUVH�ZRUG�

TT, 1V, 125϶c

�����*+]� ��������P:�

� �SS, 0.9V, 125϶c�

����*+]� ������P:�

� �FF, 1.1V, 0϶c�

�����*+]� ��������P:�

� �Figure 3.26 DCO output frequency curves and power consumption for different coarse and fine words across PVT

Page 88: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.4.2. ADPLL Closed Loop Simulation Results

)UHTXHQF\�/RFNHG

3KDVH�/RFNHG

���QV ���ʅs

Figure 3.27 Closed loop post layout simulations for BBADPLL

)LJXUH�������VKRZV�WKH�$'3//�FORVHG�ORRS�VLPXODWLRQ�IRU�D���*+]�'&2�RXWSXW�IUHTXHQF\�DW�

D�W\SLFDO�SURFHVV�FRUQHU�����϶F��DQG��9��,W�WDNHV����QV�����UHIHUHQFH�FORFN�F\FOHV��WR�DFTXLUH�D�

IUHTXHQF\�ORFN�VWDWH��DQG����ȝV�WR�DFTXLUH�D�SKDVH�ORFN��7KH�IUHTXHQF\�ORFN�WLPH�GHSHQGV�RQ�WKH�

ELQDU\�VHDUFK�DOJRULWKP��7KH�SKDVH�ORFN�WLPH�GHSHQGV�RQ�WKH�'/)�SURJUDPPDEOH�FRHIILFLHQW�Į�

ȕ,� DQG�D��7DEOH� ����� VXPPDUL]HV� WKH� VLPXODWLRQ� UHVXOWV� IRU�RXWSXW�FORFN� IUHTXHQFLHV�RI����*+]�

DQG���*+]��7KH� WRWDO� SRZHU� FRQVXPHG�DW� ��*+]� LV�RQO\����P:DWW��7KH�SHDN� WR�SHDN�SHULRG�

MLWWHU�� DQG� WKH� 506� MLWWHU� DW� ��*+]� LV� ����SV� DQG� ����SV�� UHVSHFWLYHO\�� 7KH� WRWDO� DUHD� RI� WKH�

SURSRVHG� $'3//� LV� RQO\� ����ʅP��� ZKLFK� LV� YHU\� VPDOO� FRPSDUHG� WR� RWKHU� SXEOLVKHG�

DUFKLWHFWXUHV��>��@����>��@���>��@���>��@��

Table 3.5 The closed loop simulation results at 7.5 and 10GHz

2XWSXW�IUHTXHQF\��*+]�� ���� ���

$FTXLVLWLRQ�ORFN�WLPH��ȝV�� ���� ����

3HDN�WR�SHDN�MLWWHU��SV�� ����� �����

506�MLWWHU��SV�� ����� �����

7RWDO�SRZHU��P:�� ���� ����

7RWDO�DUHD��ʅP��� �����

Page 89: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.5. Layout

3.5.1. Full Custom Blocks

7KHUH�DUH�WKUHH�IXOO�FXVWRP�EORFNV�LQ�WKH�$'3//��WKH�'&2��WKH�IUHTXHQF\�SUHVFDOHU��GLYLGH�

E\�ILYH���DQG�WKH�RXWSXW�FORFN�EXIIHU���

3.5.1.1. Floor Plan

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� IORRUSODQ� RI� WKH� SURSRVHG� %%$'3//�� 7KH� GLJLWDO� EORFNV� ZHUH�

V\QWKHVL]HG�XVLQJ�6\QRSV\V�DQG�DXWRPDWLFDOO\�SODFHG�DQG�URXWHG�XVLQJ�6R&�(QFRXQWHU��ZKLOH�WKH�

OD\RXW�RI�WKH�'&2��IUHTXHQF\�SUHVFDOHU�DQG�WKH�FORFN�EXIIHU�LV�D�IXOO�FXVWRP�OD\RXW��

DCO PMOS control bits Transistors

DCO NMOS Control bits transistors

DCO 3 stages Ring oscillator inverter

based

Clock Buffer

Frequency Prescaler

Divide by 5

'LJLWDO�%ORFNV

Figure 3.28 ADPLL Floorplan

Page 90: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.5.1.2. DCO, Buffer and Prescaler Layout

����ȝP�

Figure 3.29 DCO and divide-by-five full custom layout

)LJXUH� ������ VKRZV� WKH� IXOO� FXVWRP� OD\RXW�RI� WKH�'&2�� WKH� FORFN�EXIIHU�� DQG� WKH� IUHTXHQF\�

SUHVFDOHU��7KH�DUHD�RI�WKH�IXOO�FXVWRP�OD\RXW�LV�RQO\�����ʅP�×���ʅP��

��ʅP�

Page 91: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.5.2. Digital Blocks

3.5.2.1. Floor Plan

����� �

7KH�9HULORJ�FRGHV�RI� WKH�GLJLWDO�EORFNV�ZHUH� V\QWKHVL]HG�XVLQJ�6\QRSV\V��$IWHU� WKDW��SRVW�

V\QWKHVLV� VLPXODWLRQV� DQG�YHULILFDWLRQ�ZHUH�GRQH�XVLQJ�0RGHOVLP��6R&�HQFRXQWHU�ZDV�XVHG� WR�

SHUIRUP� D� SODFH� DQG� URXWH� IRU� WKH� GLJLWDO� EORFNV��$� VQDSVKRW� RI� WKH� GLJLWDO� EORFNV� IORRUSODQ� LV�

VKRZQ� LQ� )LJXUH� ������� 7KH� VQDSVKRW� VKRZV� WKH� SODFHPHQW� RI� GLIIHUHQW� $'3//� PRGXOHV�� 3/�

VWDQGV�IRU� WKH�SKDVH� ORRS�DQG� LW�FRQVLVWV�RI�D�%3'��D�'/)��DQG�D�Ȉǻ��)/�VWDQGV�IRU� IUHTXHQF\�

ORRS��7�� LV� WKH� FRDUVH� ELWV� WKHUPRPHWHU� HQFRGHU� DQG�7�� LV� WKH� ILQH� ELWV� WKHUPRPHWHU� HQFRGHU��

'LYLGHBE\B1�LV�WKH�SURJUDPPDEOH�IUHTXHQF\�GLYLGHU��

Figure 3.30 ADPLL digital blocks floor plan snapshot from SoC encounter

Page 92: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.5.2.2. Layout

)LJXUH�������VKRZV�WKH�OD\RXW�RI�WKH�V\QWKHVL]HG�GLJLWDO�EORFNV��7KH�'&2�FRQWURO�SLQV�ORFDWLRQ�LV�

FKRVHQ�WR�EH�RQ�WKH�ULJKW�IRU�WKH�HDVH�RI�LQWHJUDWLRQ�ZLWK�WKH�DQDORJ�'&2�OD\RXW��7KH�WRWDO�SRZHU�

FRQVXPHG� LQ� WKH� $'3//� GLJLWDO� EORFNV� ZDV� IRXQG� WR� EH� ���P:�� DQG� WKH� DUHD� RI� WKH� GLJLWDO�

EORFNV�HTXDOV�WR�����ʅP�×�����ʅP��

����ʅP�

Figure 3.31 ADPLL digital blocks Layout

����ʅP�

Page 93: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

3.6. Design Comparison

7DEOH������FRPSDUHV�EHWZHHQ�WKH�UHVXOWV�RI�WKLV�ZRUN�DQG�RWKHU�SXEOLVKHG�ZRUN�LQ��>��@����>��@��

�>��@�� DQG� �>��@�� $OWKRXJK�� WKH� 7'&� EDVHG� DUFKLWHFWXUH� KDV� SURYHQ� D� EHWWHU� MLWWHU� SHUIRUPDQFH�

FRPSDUHG� WR� WKH� SURSRVHG� EDQJ�EDQJ� EDVHG� DUFKLWHFWXUH�� WKLV� ZRUN� KDV� SURYHQ� D� VLJQLILFDQW�

UHGXFWLRQ�LQ�SRZHU�DQG�DUHD��7KH�UHGXFWLRQ�LQ�SRZHU�DQG�DUHD�UHVXOWV�IURP�WKH�SURSRVHG�VLPSOH�

'&2��DQG�HOLPLQDWLQJ�WKH�DUHD�DQG�SRZHU�KXQJU\�7'&�EORFN��

Table 3.6 Design comparison of the proposed BBADPLL with other work in published literature

� �>��@� �>��@� �>��@� �>��@� This Work

7\SH� %DQJ�%DQJ�/LQHDU�3KDVH�

4XDQWL]DWLRQ�/LQHDU�7'&� /LQHDU�7'&� %DQJ�%DQJ�

5HSRUWHG�)UHTXHQF\��*+]�� �� �� ���� �� ���� ���

7HFKQRORJ\��QP�� ��� ��� ���� ��� ���

)UHT�5DQJH��*+]�� ����–��� �����±������ ����±����� �� ��±����

5PV�MLWWHU��SV�� ���� ���� ���� �� ����� �����

3KDVH�1RLVH��G%F�+]�������

�DW����0+]��–�

�����

�DW�����.+]��

�����

�DW���0+]��–� –�

3RZHU��P:�� ��� ������ ����� ���� ���� ����

$UHD��ʅP��� ����×����� ����×����� �����×������ �����×������ ���×����

/RFN�7LPH��ʅP�� ����� –� ��� –� ���� ����

5HIHUHQFH�)UHTXHQF\��0+]�� ���� ��� ��� ��� ����

Page 94: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

Chapter 4

4 Summary and Future Work

4.1. Summary

KLV� WKHVLV� SUHVHQWHG� DQG� LQYHVWLJDWHG� WKUHH� GLIIHUHQW� 6HU'HV� DUFKLWHFWXUHV� IRU� D� WKUHH�

GLIIHUHQW� VLJQDOLQJ� VFKHPHV�� 6FKHPH� �� XVHG� WKH� FRQYHQWLRQDO� WZR�OHYHO� VLJQDOLQJ�

VFKHPHV��DQG�D�6HU'HV�DUFKLWHFWXUH�ZLWK�D�KDOI�UDWH�DOO�GLJLWDO�FORFN�DQG�GDWD�UHFRYHU\��$'&'5��

DW� WKH� UHFHLYHU�� 7KH� GLJLWDO� LPSOHPHQWDWLRQ� RI� WKH� SURSRVHG� KDOI�UDWH� $'&'5� RIIHUHG� PDQ\�

DGYDQWDJHV��DV�FRPSDUHG�WR�WKH�FRQYHQWLRQDO�RQHV��)LUVW��LW�UHGXFHG�WKH�VHQVLWLYLW\�RI�WKH�VXSSO\�

WR�QRLVH��6HFRQG��WKH�GLJLWDO�WXQLQJ�YROWDJH�FRQWURO�RI�WKH�'&2�ZDV�OHVV�VHQVLWLYH�WR�QRLVH��ZKLFK�

PDGH�WKH�GHVLJQ�PRUH�UREXVW�WR�SURFHVV��YROWDJH�DQG�WHPSHUDWXUH�YDULDWLRQV��7KLUG��VLQFH�PRVW�RI�

WKH�EXLOGLQJ�EORFNV�RI�WKH�$'&'5�ZHUH�PDGH�RI�V\QWKHVL]HG�GLJLWDO�FLUFXLWV��WKH\�FDQ�EH�HDVLO\�

SRUWHG�IURP�RQH�WHFKQRORJ\�WR�DQRWKHU��)RXUWK��WKH�'LJLWDO�/RRS�)LOWHU��'/)��RFFXSLHG�D�VPDOO�

DUHD� DV� FRPSDUHG� WR� WKH� DQDORJ� ORRS� ILOWHU�� EHFDXVH� LW� GLGQ¶W� FRQWDLQ� DQ\� SDVVLYH� HOHPHQWV��

)LQDOO\�� WKH� DEVHQFH� RI� DQDORJ� EORFNV� DQG� SDVVLYH� HOHPHQWV� UHGXFHG� WKH� DUHD� DQG� SRZHU�

VLJQLILFDQWO\�� 0RUHRYHU�� LPSOHPHQWLQJ� D� KDOI�UDWH� &'5� DUFKLWHFWXUH� ZDV� VKRZQ� WR� EH� D� YHU\�

DWWUDFWLYH�DOWHUQDWLYH�IRU��KLJK�GDWD�UDWH�WUDQVPLVVLRQ��EHFDXVH�RI�WKH�ORZHU�IUHTXHQF\�RI�RSHUDWLRQ�

WKDW�UHGXFHG�WKH�SRZHU�DQG�UHGXFHG�FRQVWUDLQV�RQ�WKH�&'5¶V�GLJLWDO�EORFNV�� ,Q�DGGLWLRQ��DV� WKH�

FORFN�IUHTXHQF\�ZDV�UHGXFHG�� WKH�GHVLJQ�RI�'&2�ZDV�UHOD[HG��7KXV��D�JRRG�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�

DQG�VWDELOLW\�ZDV�HDVLO\�DFKLHYHG��

6FKHPHV� �� DQG� �� DUH� WKH� WZR� QHZ� VFKHPHV� WKDW� SURSRVHG� D� QHZ� WKUHH�OHYHO� FRGH� WKDW�

PXOWLSOH[HG�WKH�FORFN�ZLWK�WKH�GDWD��7KH�QHZ�WKUHH�OHYHO�FRGH�HQDEOHG�UHFRYHULQJ�WKH�FORFN�IURP�

7�

Page 95: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

WKH�GDWD�DW�WKH�UHFHLYLQJ�VLGH�ZLWK�VLPSOH�FLUFXLWU\��DQG�HOLPLQDWHG�WKH�QHHG�RI�VHQGLQJ�WKH�FORFN�

XVLQJ�DQ�H[WUD�ZLUH��RU�XVLQJ�D�FRPSOH[�FRQYHQWLRQDO�&'5�DW�WKH�UHFHLYHU�VLGH��,Q�DGGLWLRQ��WKH�

SURSRVHG� WKUHH�OHYHO� VLJQDOLQJ� VFKHPHV� ZHUH� LQVHQVLWLYH� WR� MLWWHU� DFFXPXODWHG� GXULQJ� VLJQDO�

WUDQVPLVVLRQ��KHQFH��WKHUH�ZHUH�QR�VWULFW�FRQVWUDLQWV�RQ�WKH�MLWWHU�SHUIRUPDQFH�RI�WKH�3//�DW�WKH�

WUDQVPLWWHU�� +RZHYHU�� WKH� VLJQDOLQJ� VFKHPHV� LQ� VFKHPH� �� DQG� VFKHPH� �� ZHUH� QRW� WKH� VDPH��

6FKHPH���LV�WKUHH�OHYHO�VLJQDOLQJ�RIIHUHG�D�DC�OHYHO�SUHVHUYLQJ�DGYDQWDJHV��WKDW�ZHUH�DWWUDFWLYH�

IRU� DSSO\LQJ� WKH� VRXUFH� PDWFKLQJ� WHFKQLTXH�� DQG� EHQHILWHG� IURP� LWV� SURSHUWLHV�� 7KH� VRXUFH�

PDWFKLQJ�WHFKQLTXH�WKDW�ZDV�DSSOLHG�RQ�VFKHPH���GRXEOHG�WKH�VLJQDO�DPSOLWXGH�DW�WKH�WUDQVPLWWHU��

+HQFH�� WKH� VLJQDO� DWWHQXDWLRQ� DORQJ� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH� ZDV� FRPSHQVDWHG� E\� GRXEOLQJ� WKH�

VLJQDO�DPSOLWXGH��7KLV�UHVXOWHG�LQ�D�VPDOOHU�GULYHU�VL]H�DW�WKH�WUDQVPLWWHU��DQG�UHGXFHG�SRZHU��DQG�

DUHD�RYHUKHDG��

7KHUH�ZHUH�PDQ\�SUREOHPV�IRXQG�LQ�VLJQDOLQJ�VFKHPH����DQG�VLJQDOLQJ�VFKHPH���VLJQDOLQJ�

ZDV�SURSRVHG�WR�RYHUFRPH�WKHVH�SUREOHPV��)LUVW��VFKHPH�WZR�VLJQDOLQJ�VFKHPH�OHG�WR�ORVLQJ�KDOI�

RI� WKH� DFKLHYDEOH� GDWD� UDWH�� EHFDXVH� HDFK� ELW� ZDV� UHSUHVHQWHG� LQ� WZR� FORFN� F\FOHV�� 6HFRQG��

VFKHPH� �� SXW� OLPLWDWLRQV� RQ� WKH�PLQLPXP� IUHTXHQF\� RI� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH�� ZKLFK� PDGH� LW�

GLIILFXOW�WR�RSHUDWH�SURSHUO\�LQ�VORZ�FRUQHUV��7KLUG��VHQGLQJ�D�GLIIHUHQWLDO�WKUHH�OHYHO�VLJQDO�KDG�

QR�DGYDQWDJHV�LQ�WHUPV�RI�QRLVH�LPPXQLW\��EHFDXVH�DW�WKH�UHFHLYHU��WKHUH�ZHUH�WZR�VHSDUDWH�ORZ�

VZLWFKLQJ� LQYHUWHUV� XVHG� WR� GHWHFW� WKH� VLJQDOV�� 7KHUHIRUH�� WKHUH� ZDV� D� JUHDW� SUREDELOLW\� RI�

PLVPDWFK�DW�WKH�UHFHLYHU�HQG��ZKLFK�PDGH�H[WUDFWLQJ�WKH�FORFN��DQG�UHFRYHULQJ�WKH�GDWD�GLIILFXOW��

6FKHPH���SURSRVHG�D� UHVLVWLYH� WHUPLQDWLRQ� WHFKQLTXH�IRU� WKH� WUDQVPLVVLRQ� OLQH��ZKLFK�UHPRYHG�

WKH�OLPLWDWLRQ�RQ�WKH�PLQLPXP�IUHTXHQF\�IRXQG�LQ�VFKHPH����)XUWKHUPRUH��WKH�GDWD�WUDQVPLWWHG�

RQ� D� VLQJOH� OLQN� VDYHG� URXWLQJ� UHVRXUFHV� DQG� DYRLG� WKH� PLVPDWFK� SUREOHPV� DW� WKH� UHFHLYHU��

Page 96: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

+RZHYHU��VLQFH�VRXUFH�PDWFKLQJ�ZDV�QRW�XVHG�LQ�VFKHPH����WKH�GULYHU�VL]H��SRZHU��DQG�DUHD�ZHUH�

ODUJHU�DV�FRPSDUHG�WR�VFKHPH������

$�FDOLEUDWLRQ�WHFKQLTXH�ZDV�SURSRVHG�WR�FDOLEUDWH�WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�RI�WKH�LQYHUWHU�DQG�

RYHUFRPH� WKH� SUREOHPV� RI� WKH� SURFHVV� YDULDWLRQ��+RZHYHU�� WHPSHUDWXUH� DQG� YROWDJH� YDULDWLRQV�

FDQ�VWLOO�DIIHFW�WKH�LQYHUWHU�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG��'HVLJQLQJ�WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�WR�EH�FORVH�WR�

VDD/2�ZDV�GRQH�WR�JXDUDQWHH�D�WHPSRUDU\�VROXWLRQ�WR�WHPSHUDWXUH��DQG�YROWDJH�YDULDWLRQV��EXW�D�

SHUPDQHQW�VROXWLRQ�RI�FRQWLQXRXV�FDOLEUDWLRQ�VKRXOG�EH�LQYHVWLJDWHG�LQ�IXWXUH�ZRUN��

7KH� 6HU'HV� WUDQVFHLYHU� ZDV� LPSOHPHQWHG� IRU� D� �PP� ORQJ� ORVV\� RQ�FKLS� GLIIHUHQWLDO�

WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LQ�D���QP�760&�&026�WHFKQRORJ\��7KH�WRWDO�SRZHU�FRQVXPHG�LQ�WKH�7;�5;�

SDLU�ZLWK�WKH�WUDQVPLVVLRQ�OLQH�LQ�VFKHPH���DQG�VFKHPH���ZHUH�RQO\�����P:DWW�DQG�����P:DWW��

UHVSHFWLYHO\�� 7KHVH� SRZHU� GLVVLSDWLRQ� YDOXHV� DUH� PXFK� ORZHU� FRPSDUHG� WR� VLPLODU� SXEOLVKHG�

VLJQDOLQJ�DUFKLWHFWXUHV����

7KLV�WKHVLV�DOVR�SUHVHQWHG�WKH�GHVLJQ�DQG�WKH�LPSOHPHQWDWLRQ�RI�D�GLJLWDO�EDQJ�EDQJ�DOO�GLJLWDO�

IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HU� IRU�VHULDO� OLQNV��$�QHZ�GHVLJQ�PHWKRGRORJ\� IRU� WKH�EDQJ�EDQJ�DOO�GLJLWDO�

SKDVH� ORFNHG� ORRS� �%%$'3//�� ZDV� SUHVHQWHG�� 7KLV� %%$'3//� EDVHG� RQ� WKH� SURJUDPPDEOH�

FRHIILFLHQWV�RI�WKH�GLJLWDO�ORRS�ILOWHU��'/)��WKDW�PDQDJHG�WKH�WUDGHRIIV�EHWZHHQ�VWDELOLW\�DQG�WKH�

MLWWHU� RI� WKH� FORVHG� ORRS�� 7KH� SURSRVHG� GHVLJQ� VKRZHG� D� UHGXFWLRQ� LQ� WKH� DUHD� DQG� SRZHU��

FRPSDUHG� WR� RWKHU� WLPH�WR�GLJLWDO� FRQYHUWHU� �7'&�� EDVHG� $'3//� DUFKLWHFWXUHV�� 7KLV� UHVXOWHG�

IURP� HOLPLQDWLQJ� WKH� QHHG� IRU� FRPSOH[�� SRZHU�� DQG� DUHD� FRQVXPLQJ�7'&�EORFNV��$� SURSRVHG�

VLPSOH� WKUHH� VWDJHV� ULQJ� RVFLOODWRU� EDVHG� GLJLWDO� FRQWUROOHG� RVFLOODWRU� �'&2��� UHGXFHG� WKH� WRWDO�

SRZHU�DQG�DUHD�VLJQLILFDQWO\��DQG�SURYLGHG�D�ZLGH�IUHTXHQF\�UDQJH����

Page 97: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

7KH� SURSRVHG� %%$'3//�ZDV� LPSOHPHQWHG� RQ� D� 760&�&026� ��QP� WHFKQRORJ\� ZLWK� D�

IUHTXHQF\�UDQJH�RI��–��*+]�DQG�D�IUHTXHQF\�UHVROXWLRQ�RI����0+]��7KH�WRWDO�SRZHU�FRQVXPHG�

DW���*+]�ZDV�RQO\����P:DWW��7KH�SHDN�WR�SHDN�SHULRG�MLWWHU�DQG�WKH�506�MLWWHU�DW���*+]�ZDV�

����SV� DQG� ����SV�� UHVSHFWLYHO\�� 7KH� WRWDO� DUHD� RI� WKH� SURSRVHG� $'3//� ZDV� RQO\� ����ʅP���

ZKLFK�LV�PXFK�ORZHU�WKDQ�RWKHU�SXEOLVKHG�DUFKLWHFWXUHV��

4.2. Conclusion

7KH�JRDO�RI�WKLV�WKHVLV�ZDV�WR�LQYHVWLJDWH�D�QHZ�VHOI�WLPHG�VLJQDOLQJ�VFKHPH�IRU�D�UHOLDEOH��

ORZ�SRZHU�RQ�FKLS�VHULDO�OLQN��7KH�HQFRGHU�DW�WKH�WUDQVPLWWHU�PXOWLSOH[HG�WKH�FORFN�ZLWK�WKH�GDWD�

LQ�WKUHH�OHYHO�FRGH��7KH�QHZ�WKUHH�OHYHO�HQFRGLQJ�WHFKQLTXH�HQDEOHG�UHFRYHULQJ�WKH�FORFN�IURP�

WKH�GDWD��ZKLFK�HOLPLQDWHG�DQ\�QHHG�IRU�VHQGLQJ�WKH�FORFN�WKURXJK�DQ�H[WUD�ZLUH�RU�XVLQJ�SRZHU�

KXQJU\� FRPSOH[� EORFNV�� VXFK� DV� 3//V� DQG� &'5V�� 7KLV� OHDGV� WR� SRZHU� DQG� DUHD� VDYLQJV�� LQ�

DGGLWLRQ� WR� UHGXFHG� URXWLQJ� FRPSOH[LW\�� 0RUHRYHU�� WKLV� WHFKQLTXH� ZDV� LQVHQVLWLYH� WR� MLWWHU�

DFFXPXODWHG� GXULQJ� VLJQDO� SURSDJDWLRQ� RU� DW� WKH� UHFHLYHU� LQSXW�� EHFDXVH� WKH� FORFN� VLJQDO� ZDV�

H[WUDFWHG�IURP�WKH�PXOWLSOH[HG�GDWD�VWUHDP��7KH�SURSRVHG�6HU'HV�DUFKLWHFWXUH�ZDV�LPSOHPHQWHG�

XVLQJ�VLPSOH�IXOO�FXVWRP�GLJLWDO�&026�FLUFXLWV��7KH�SURSRVHG�DUFKLWHFWXUH�OHG�WR�VLJQLILFDQW�DUHD�

DQG�SRZHU�UHGXFWLRQ�FRPSDUHG�WR�WKH�FRQYHQWLRQDO�6HU'HV�WUDQVFHLYHU��

4.3. Future Work

397� YDULDWLRQV� DIIHFW� WKH� PD[LPXP� GDWD� UDWH� RI� VHULDO� OLQNV� VLJQLILFDQWO\�� )XUWKHU�

LQYHVWLJDWLRQV�VKRXOG�EH�GRQH�WR�RYHUFRPH�WKH�LPSDFW�RI�WHPSHUDWXUH�DQG�YROWDJH�YDULDWLRQV�RQ�

WKH�VZLWFKLQJ�WKUHVKROG�RI�WKH�GHWHFWRU�DW�WKH�UHFHLYHU���

0RUHRYHU��WKLV�ZRUN�VKRXOG�EH�H[WHQGHG�WR�WKH�VHULDOL]DWLRQ�RI�YHUWLFDO�769�LQWHUFRQQHFWV�LQ�

�'�,&V�WR�DGGUHVV�WKH�FKDOOHQJHV�RI�WKH��KLJK�SRZHU�GHQVLWLHV�DQG�URXWLQJ�FRQJHVWLRQ�GXH�WR�769�

Page 98: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

SDGV�� 7KH� XVH� RI� WKUHH�OHYHO� VLJQDOLQJ� VFKHPHV� LQ� DQ� RII�FKLS� 6HU'HV� WUDQVFHLYHU� VKRXOG� EH�

LQYHVWLJDWHG�DV�ZHOO���

7KH�SURJUDPPDEOH�GLJLWDO�ORRS�ILOWHU�FRHIILFLHQWV�FDQ�EH�SURJUDPPHG�DIWHU�ORFN�WR�LPSURYH�

MLWWHU�SHUIRUPDQFH��7KH�GLJLWDO�ORRS�ILOWHU�FRHIILFLHQWV�FDQ�DOVR�EH�SURJUDPPHG�WR�RYHUFRPH�DQ\�

WHPSHUDWXUH�DQG�YROWDJH�YDULDWLRQV�WKDW�PD\�OHDG�WR�LQVWDELOLW\�DIWHU�ORFN��

Page 99: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

References

>�@� ,QWHUQDWLRQDO�7HFKQRORJ\�5RDGPDS�IRU�6HPLFRQGXFWRUV��,756���������

>�@� 0LFKDHO� 3�� )O\QQ� DQG� -RVKXD� -DH\RXQJ�.DQJ�� �*OREDO� VLJQDOLQJ� RYHU� ORVV\� WUDQVPLVVLRQ�

OLQHV��� International Conference in Computer Aided Design ICCAD�� SS� ���������

1RYHPEHU�������

>�@� $�� ,7VXFKL\D��<��*RWRK��0��+DVKLPRWR��DQG�+��2QRGHUD�� �3HUIRUPDQFH� OLPLWDWLRQ�RI�RQ�

FKLS� JOREDO� LQWHUFRQQHFWV� IRU� KLJK�VSHHG� VLJQDOLQJ��� Custom Integrated Circuits

Conference (CICC),�6HSWHPEHU�������

>�@� (�� (�� +XVVHLQ� DQG� <�� ,�� ,VPDLO�� �$� QRYHO� YDULDWLRQ� LQVHQVLWLYH� FORFN� GLVWULEXWLRQ�

PHWKRGRORJ\���International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)��SS������������

0D\�������

>�@� $QDQW� $JDUZDO�� DQG� 0DUNXV� /HY\�� �*RLQJ� PXOWLFRUH� SUHVHQWV� FKDOOHQJHV� DQG�

RSSRUWXQLWLHV���EE Times, design article��2FWREHU�������

>�@� ,QWHUQDWLRQDO� 7HFKQRORJ\� 5RDGPDS� IRU� 6HPLFRQGXFWRUV� �,756��� �7KH� QH[W� VWHS� LQ�

DVVHPEO\�DQG�SDFNDJLQJ��V\VWHP�OHYHO�LQWHJUDWLRQ�LQ�WKH�SDFNDJH��6L3����������

>�@� 6�� 3DVULFKD�� �([SORULQJ� VHULDO� YHUWLFDO� LQWHUFRQQHFWV� IRU� �'� ,&V��� Design Automation

Conference (DAC)��SS����������-XO\�������

>�@� $��:��7RSRO�HW�DO����7KUHH�GLPHQVLRQDO� LQWHJUDWHG�FLUFXLWV���IBM J. Res. & Dev���9RO�����

1R�������-XO�6HS��������

>�@� �.��%HUQVWHLQ��HW�DO����,QWHUFRQQHFWV�LQ�WKH�WKLUG�GLPHQVLRQ��GHVLJQ�FKDOOHQJHV�IRU��'�,&V���

Design Automation Conference (DAC)��SS����������-XO\��������

>��@� 5�6�3DWWL�� �7KUHH�GLPHQVLRQDO� LQWHJUDWHG� FLUFXLWV� DQG� WKH� IXWXUH� RI� 6\VWHP�RQ�&KLS�

'HVLJQV���Proceedings of the IEEE��YRO�����QR�����-XQ�������

Page 100: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

>��@� $�� ,7VXFKL\D��<��*RWRK��0��+DVKLPRWR��DQG�+��2QRGHUD�� �3HUIRUPDQFH� OLPLWDWLRQ�RI�RQ�

FKLS� JOREDO� LQWHUFRQQHFWV� IRU� KLJK�VSHHG� VLJQDOLQJ��� Custom Integrated Circuits

Conference�(CICC)��6HSWHPEHU�������

>��@� 0��6RUQD�et al.���$����*E�V�&026�6HU'HV�FRUH�ZLWK�IHHG�IRUZDUG�DQG�GHFLVLRQ�IHHGEDFN�

HTXDOL]DWLRQ��� IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)�� SS�� ������

)HEUXDU\��������

>��@� 7�*HXUWV��:��5HQV��-��&UROV��6��.DVKLZDNXUD��DQG�<��6HJDZD���$�����*ESV���������*ESV�

PXOWL�FRUH� VHULDO�OLQN� WUDQVFHLYHU� LQ� ����� ȝP�&026���Proceeding of the 30th European

Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC) ��QR���SS��������������������6HSWHPEHU�������

>��@� -�<RXQJ��-��.DQJ��6��3DUN��DQG�0��)O\QQ�³$��*ELW�V�VHULDO�7UDQVFHLYHU�IRU�RQ�FKLS�JOREDO�

VLJQDOLQJ�RYHU�ORVV\�WUDQVPLVVLRQ�OLQHV�´�Custom Intergrated Circuits Conference (CICC)��

SS�����������6HSWHPEHU ������

>��@� 6H�-RRQJ� /HH�� .ZDQKR� .LP�� +\HMXQJ� .LP�� 1DPMXQ� &KR�� +RL�-XQ� <RR� �� �$GDSWLYH�

QHWZRUN�RQ�FKLS�ZLWK�ZDYH�IURQW� WUDLQ� VHULDOL]DWLRQ�VFKHPH���Digest of Technical Papers

Symposium on��VLSI Circuits, 2005��SS������������-XQH�������

>��@� 5��$��3KLOSRWW��-��6��+XPEOH��5��$��.HUWLV��.��(��)ULW]��%��.��*LOEHUW�DQG�(��6��'DQLHO���$�

��*E�V� 6HU'HV� WUDQVPLWWHU� ZLWK� DGMXVWDEOH� VRXUFH� ,PSHGDQFH� DQG� ��WDS� IHHG�IRUZDUG�

HTXDOL]DWLRQ�LQ���QP�EXON�&026���IEEE Custom Intergrated Circuits Conference (CICC)��

SS�����������6HSWHPEHU ������

>��@� <��6X]XNL��.��2GDJDZD��DQG�7��$EH���&ORFNHG�&026�FDOFXODWRU�FLUFXLWU\����IEEE�Journal

of Solid State Circuits��YRO��6&����SS�����������'HFHPEHU�������

>��@� +DH�&KDQJ� /HH�� �$Q� (VWLPDWLRQ� $SSURDFK� WR� &ORFN� DQG� 'DWD� 5HFRYHU\��� 6WDQIRUG�

8QLYHUVLW\��GLVVHUWDWLRQ��1RY�������

Page 101: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

>��@� +��6RQJ��'���6��.LP��'���+��2K��6��.LP��'���.��-HRQJ���$����±����*E�V�$OO�'LJLWDO�&'5�

:LWK� ����SV� 3HULRG� 5HVROXWLRQ� '&2� DQG� $GDSWLYH� 3URSRUWLRQDO� *DLQ� &RQWURO��� IEEE

Journal of Solid State Circuits� YRO�����QR����SS����������)HEUXDU\������

>��@� 3��.��+DQXPROX��*���<��:HL��8���.��0RRQ��DQG�.��0D\DUDP���'LJLWDOO\�HQKDQFHG�SKDVH�

ORFNLQJ� FLUFXLWV��� IEEE Custom Intergrated Circuits Conference (CICC)�� SS�� ���±�����

6HSWHPEHU�������

>��@� -�� 6DYRM�� %�� 5D]DYL�� �'HVLJQ� RI� KDOI�UDWH� FORFN� DQG� GDWD� UHFRYHU\� FLUFXLWV� IRU� RSWLFDO�

FRPPXQLFDWLRQ�V\VWHPV���Design Automation Conference (DAC), SS������������-XO\�������

>��@� 'R�+ZDQ� 2K�� 'HRN�6RR� .LP�� 6XKZDQ� .LP�� 'HRJ�.\RRQ� -HRQJ�� :RQFKDQ� .LP�� �$�

���*E�V�$OO�'LJLWDO�&'5�ZLWK�D���E�0RQRWRQLF�'&2���IEEE International of Solid-State

Circuits Conference (ISSCC), SS����������������)HEUXDU\������

>��@� -��'��+��$OH[DQGHU�� �&ORFN�5HFRYHU\� IURP�5DQGRP�%LQDU\�6LJQDOV���Electronic Letters��

YRO������SS�����������2FWREHU�������

>��@� 'DYLG� -�� 5HQQLH�� �$QDO\VLV� DQG� GHVLJQ� RI� UREXVW� PXOWL�*E�V� FORFN� DQG� GDWD� UHFRYHU\�

FLUFXLWV���8QLYHUVLW\�RI�:DWHUORR��WKHVLV��������

>��@� ;LDRGRQJ� /LX�� <DQ\DQ� 6KL�� 0HQJ� :DQJ�� DQG� -LDRMLDR� 'HQJ�� �'LUHFW� GLJLWDO� IUHTXHQF\�

V\QWKHVL]HU�EDVHG�RQ�FXUYH�DSSUR[LPDWLRQ�� IEEE International Conference on Industrial

Technology (ICIT)��SS������������$SULO�������

>��@� $�� %HOODRXDU�� 0�� 6�� 2EUHFKW�� $�� 0�� )DKLP�� 0�� ,�� (OPDVU\�� �/RZ�SRZHU� GLUHFW� GLJLWDO�

IUHTXHQF\� V\QWKHVLV� IRU�ZLUHOHVV� FRPPXQLFDWLRQV��� IEEE Journal of Solid-State Circuits��

YRO������SS�����������0DUFK�������

>��@� 5DPLQ�)DUMDG�5DG��:LOOLDP�'DOO\��+LRN�7LDT�1J�� �5DPHVK�6HQWKLQDWKDQ�� �0��-��(GZDUG�

/HH�� 5RKLW� 5DWKL� DQG� -RKQ� 3RXOWRQ�� �$� /RZ�3RZHU� 0XOWLSO\LQJ� '//� IRU� /RZ�-LWWHU�

Page 102: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

0XOWLJLJDKHUW]� &ORFN� *HQHUDWLRQ� LQ� +LJKO\� ,QWHJUDWHG� 'LJLWDO� &KLSV��� IEEE Journal of

Solid-State Circuits��YRO������QR�����'HFHPEHU�������

>��@� .XR�+VLQJ�&KHQJ�DQG�<X�/XQJ�/R���$�)DVW�/RFN�:LGH�5DQJH�'HOD\�/RFNHG�/RRS�8VLQJ�

)UHTXHQF\�5DQJH� 6HOHFWRU� IRU� 0XOWLSKDVH� &ORFN� *HQHUDWRU�� IEEE Transactions on

Circuits and Systems II���YRO�����QR����SS����������-XO\�������

>��@� %HK]DG� 5D]DYL�� �'HVLJQ� 2I� $QDORJ� &026� ,QWHJUDWHG� &LUFXLWV��� ,QWHUQDWLRQDO� (GLWLRQ�

������

>��@� &��6��9DXFKHU���$UFKLWHFWXUHV�IRU�5)�)UHTXHQF\�6\QWKHVL]HUV�� %RVWRQ��.OXZHU�$FDGHPLF�

3XEOLVKHUV��������

>��@� %�� 5D]DYL�� �'HVLJQ� RI� 0RQROLWKLF� 3//V� DQG� &ORFN� 5HFRYHU\� &LUFXLWV� ±� $� 7XWRULDO���

0RQROLWKLF�3KDVH�/RFNHG�/RRSV�DQG�&ORFN�5HFRYHU\�&LUFXLWV��7KHRU\�DQG�'HVLJQ��1HZ�

<RUN��,(((�3UHVV��������

>��@� )��0��*DUGQHU���&KDUJH�3XPS�3KDVH�/RFN�/RRSV���IEEE Trans. on Communications��YRO��

����SS�������������1RYHPEHU�������

>��@� ;LDROLDQJ�;X��+XLKXD�/LX��:HLIHQJ�7DQ���3DUDPHWHUV�GHVLJQ�RI�����*+]�ORZ�MLWWHU�FKDUJH�

SXPS�3//�� International Conference on Electric Information and Control Engineering

(ICEICE)���SS������������$SULO�������

>��@� 6RQJ�<LQJ��:DQJ�<XDQ��-LD�6RQJ��=KDR�%DR\LQJ��-L�/LMLX���'HVLJQ�RI�ORZ�MLWWHU�DGDSWLYH�

EDQGZLGWK�FKDUJH�SXPS�3//�ZLWK�SDVVLYH�ILOWHU���7th International Conference on ASIC���

SS����������2FWREHU�������

>��@� $�/�6� /RNH�� 5�.� %DUQHV�� 7�7� :HH�� 0�0�� 2VKLPD�� &�(�� 0RRUH�� 5�5� .HQQHG\�� 0�-�

*LOVGRUI�� �$� 9HUVDWLOH� ���QP� &026� &KDUJH�3XPS� 3//� IRU� 6HU'HV� 7UDQVPLWWHU�

&ORFNLQJ��� IEEE Journal of��Solid-State Circuits��YRO�����QR����SS������������$XJ��������

Page 103: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

>��@� 9��.UDW\XN��3�+DQXPROX, 8Q�.X�0RRQ��DQG�.��0D\DUDP,� �$�'HVLJQ�3URFHGXUH�IRU�$OO�

'LJLWDO� 3KDVH�/RFNHG� /RRSV� %DVHG� RQ� D� &KDUJH�3XPS� 3KDVH�/RFNHG�/RRS� $QDORJ\���

IEEE Trans. on circuits and systems��YRO������SS�����±�����0DUFK�������

>��@� .��&KRL��-��6KLQ��-��6LP��DQG�+��3DUN, �$Q�,QWHUSRODWLQJ�'LJLWDOO\�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU�IRU�

D�:LGH�5DQJH�$OO�'LJLWDO�3//�� IEEE Trans. on circuits and systems�� YRO�����SS�������

������6HSWHPEHU��������

>��@� 5��6WDV]HZVNL,� -��:DOOEHUJ�� DQG�6��5H]HT�� �$OO�'LJLWDO� 3//� DQG�7UDQVPLWWHU� IRU�0RELOH�

3KRQHV��� IEEE Journal of Solid-State Circuits��YRO������SS�������������'HFHPEHU�������

>��@� &�� &KXQJ� DQG� &�� /HH�� �$Q� $OO�'LJLWDO� 3KDVH�/RFNHG� /RRS� IRU� +LJK�6SHHG� &ORFN�

*HQHUDWLRQ�� IEEE J. Solid-State Circuits��YRO������SS�����±�����)HEUXDU\�������

>��@� %�� 5D]DYL�� �'HYLFHV� DQG� FLUFXLWV� IRU� SKDVH�ORFNHG� V\VWHPV��� LQ� Phase-Locking in High

Performance Systems��%��5D]DYL��(G��1HZ�<RUN��,(((�3UHVV��������

>��@� 6��0��5H]DXO�+DVDQ���$�1RYHO����ELW�&026�'LJLWDOO\�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU����IEEE Asia

Pacific Conference on circuits and systems��SS�����������'HFHPEHU�������

>��@� 0��6DLQW�/DXUHQW� DQG�0��6ZDPLQDWKDQ�� �$�'LJLWDOO\�$GMXVWDEOH�5HVLVWRU� IRU�3DWK�'HOD\�

&KDUDFWHUL]DWLRQ� LQ�+LJK�)UHTXHQF\�0LFURSURFHVVRUV��� 6RXWKZHVW� 6\PSRVLXP� RQ�0L[HG�

6LJQDO�'HVLJQ��SS���������������

>��@� 0��6DLQW�/DXUHQW� HW� DO�� �$�'LJLWDOO\�&RQWUROOHG�2VFLOODWRU�&RQVWUXFWHG�8VLQJ�$GMXVWDEOH�

5HVLVWRU����,(((�6RXWKZHVW�6\PSRVLXP�RQ�0L[HG�6LJQDO�'HVLJQ��SS���������������

>��@� 7��.XHQGLJHU��)DQJ�&KHQ��/��0DF�(DFKHUQ��6��0DKPRXG���$�1RYHO�'LJLWDOO\�&RQWUROOHG�

/RZ�1RLVH�5LQJ�2VFLOODWRU���� IEEE International Symposium on Circuits and Systems��SS��

�����������0D\�������

Page 104: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

>��@� -��'XQQLQJ��*��*DUFLD�� -�� /XQGEHUJ�� DQG� (��1XFNROOV�� �$Q� DOO�GLJLWDO� SKDVH�ORFNHG� ORRS�

ZLWK� ���F\FOH� ORFN� WLPH� VXLWDEOH� IRU� KLJK�SHUIRUPDQFH�PLFURSURFHVVRUV��� IEEE J. Solid-

State Circuits��YRO������SS�����±�����$SULO�������

>��@� &KLD�7VXQ� :X�� :HQ�&KXQJ� 6KHQ�� :HL� :DQJ�� DQG� $Q�<HX� :X�� �$�7ZR� &\FOH�/RFN�

WLPH�$'3//�'HVLJQ�%DVHG� RQ�D� )UHTXHQF\�(VWLPDWLRQ�$OJRULWKP�� �� IEEE Trans. on

circuits and systems���YRO�����SS�����������-XQH�������

>��@� 7�� �<��+VX�� &�� �&��:DQJ�� DQG�&�� �<�� /HH�� �'HVLJQ� DQG� DQDO\VLV� RI� SRUWDEOH� KLJK�VSHHG�

FORFN�JHQHUDWRU����IEEE Trans. Circuits Syst. II��YOR������SS�����������$SU��������

>��@� -RKQ�:LOO\���$OO�GLJLWDO�IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HU�LQ�GHHS�VXEPLFURQ�&026���������

>��@� -RKQ�5RJHUV���,QWHJUDWHG�&LUFXLW�'HVLJQ�IRU�+LJK�6SHHG�)UHTXHQF\�6\QWKHVLV���������

>��@� -UL� /HH�� .�� 6�� .XQGHUW�� %�� 5D]DYL� �� �0RGHOLQJ� RI� MLWWHU� LQ� EDQJ�EDQJ� FORFN� DQG� GDWD�

UHFRYHU\�FLUFXLWV�� Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuits Conference 2003���

SS�������������6HSW��������

>��@� 1��'D�'DOW���0DUNRY�&KDLQV�%DVHG�'HULYDWLRQ�RI�WKH�3KDVH�'HWHFWRU�*DLQ�LQ�%DQJ�%DQJ�

3//V���IEEE Transactions on�Circuits and Systems II: Express Briefs�� YRO����� QR�����

SS������������1RY��������

>��@� -$�7LHUQR��$9�5\O\DNRY��'-�)ULHGPDQ���$�ZLGH�SRZHU�VXSSO\�UDQJH��ZLGH�WXQLQJ�UDQJH��

DOO�VWDWLF�&026�DOO�GLJLWDO�3//�LQ����QP�62,���IEEE J. Solid-State Circuits��YRO������QR�����

SS���������-DQ��������

>��@� :��*UROOLWVFK��5��1RQLV��DQG�1��'D�'DOW���$����SVUPV�SHULRG�MLWWHU�7'&�OHVV�IUDFWLRQDO�1�

GLJLWDO�3//�ZLWK�GLJLWDOO\�FRQWUROOHG�ULQJ�RVFLOODWRU� LQ���QP�&026���IEEE International

Solid-State Circuits Conference (ISSCC)��SS�����������)HE��������

Page 105: RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru frduvh zrug )ljxuh 7kh hiihfw ri fkdqjlqj . rq wkh rxwsxw skdvh wudqvlhqw uhvsrqvh iru

����

>��@� &��+VX��0=�6WUDD\HU��0+�3HUURWW���$�ORZ�QRLVH��ZLGH�%:����*+]�GLJLWDO�ǻȈ�IUDFWLRQDO�1�

IUHTXHQF\�V\QWKHVL]HU�ZLWK�D�QRLVH�VKDSLQJ�WLPH�WR�GLJLWDO�FRQYHUWHU�DQG�TXDQWL]DWLRQ�QRLVH�

FDQFHOODWLRQ��� IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)�� SS�� ���������

)HEUXDU\�������

>��@� &�:HOWLQ�:X�� (�� 7HPSRULWL�� '�� %DOGL�� )�� 6YHOWR�� �$� �*+]� IUDFWLRQDO�1� DOO�GLJLWDO� 3//�

ZLWK� 3UHFLVH� WLPH�WR�GLJLWDO� FRQYHUWHU� FDOLEUDWLRQ� DQG� PLVPDWFK� FRUUHFWLRQ��� IEEE

International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)��SS����������)HEUXDU\�������