KR102418077B1 - Injection-locked PLL architecture using sub-sampling-based frequency tracking loop and delay locked loop - Google Patents

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KR102418077B1
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윤동현
성기호
최윤식
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Abstract

In accordance with the present invention, disclosed is an injection-locked phase locked loop employing subsampling-based FTL and DLL. In accordance with the present invention, an injection-locked phase locked loop includes: a voltage control oscillator; a dual edge injection pulse generator supplying an injection pulse to the voltage control oscillator; a subsampling-based frequency tracking loop including a first subsampling charge pump and a divider-phase frequency detector/charge pump (PFD/CP) having a dead zone, and sampling a signal outputted from the voltage control oscillator with a reference signal and an injection pulse; and a subsampling-based delay fixed loop including a second subsampling charge pump and inputting a control voltage into the voltage control oscillator. Therefore, the present invention is capable of embodying excellent in-band noise characteristics.

Description

서브샘플링 기반 FTL과 DLL을 적용한 주입-고정 위상고정루프{Injection-locked PLL architecture using sub-sampling-based frequency tracking loop and delay locked loop}Injection-locked PLL architecture using sub-sampling-based frequency tracking loop and delay locked loop

본 발명은 서브샘플링 기반 FTL과 DLL을 적용한 주입-고정 위상고정루프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, Injection-locked PLL(ILPLL) 구조에 서브샘플링을 기반으로 동작하는 FTL(frequency tracking loop)과 DLL(delay-locked loop)를 적용한 회로에 관한 것이다. The present invention relates to an injection-locked phase-locked loop to which subsampling-based FTL and DLL are applied, and more particularly, FTL (frequency tracking loop) and DLL operating based on subsampling in an injection-locked PLL (ILPLL) structure (delay-locked loop) is applied to the circuit.

마이크로프로세서나 무선통신 시스템과 같은 대부분의 SoC에는 여러 개의 주파수 합성기가 사용된다. PLL(Phase Locked Loop)은 저전력으로 쉽게 구현이 가능하고 넓은 주파수 범위를 갖는 특성 덕분에 가장 일반적으로 사용되고 있는 주파수 합성기이다. 하지만 일반적으로 우수한 노이즈 성능을 위해서는 큰 전력 소모나 면적을 요구하기 때문에 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. Most SoCs, such as microprocessors and wireless communication systems, use multiple frequency synthesizers. PLL (Phase Locked Loop) is the most commonly used frequency synthesizer thanks to its characteristics that it can be easily implemented with low power and has a wide frequency range. However, since large power consumption or area is generally required for excellent noise performance, many studies are being conducted to solve this problem.

Sub-sampling PLL (SSPLL)과 Injection-locked PLL (ILPLL)은 최근 가장 많이 연구되고 있는 구조이다. Sub-sampling PLL (SSPLL) and Injection-locked PLL (ILPLL) are the structures that have been studied the most recently.

먼저 SSPLL은 기존의 위상 주파수 검출기/전하 펌프(phase frequency detector/charge pump, PFD/CP)를 갖는 PLL과는 달리 피드백 루프에 주파수를 N으로 나누어 주는 분배기 없이 주파수를 합성할 수 있다.First, the SSPLL can synthesize frequencies without a divider that divides the frequency by N in the feedback loop, unlike the conventional PLL having a phase frequency detector/charge pump (PFD/CP).

위상 주파수 검출기/전하 펌프에서는 전하 펌프의 노이즈가 주파수 분배기 때문에 N2배 증폭되어 in-band 노이즈에 dominant한 성분이 되지만 SSPLL은 주파수 분배기를 사용하지 않기 때문에 우수한 in-band 노이즈 성능을 얻을 수 있다. 하지만 out-band 노이즈는 개선시킬 수 없다는 한계점이 존재하기 때문에 우수한 노이즈 특성을 위해서는 매우 큰 면적을 필요로 하는 인덕터 기반 발진기(inductor-based oscillator)를 사용할 수밖에 없다.In the phase frequency detector/charge pump, the noise of the charge pump is amplified by N 2 times due to the frequency divider and becomes a dominant component in the in-band noise, but since the SSPLL does not use a frequency divider, excellent in-band noise performance can be obtained. However, since there is a limitation that out-band noise cannot be improved, an inductor-based oscillator that requires a very large area has no choice but to use for excellent noise characteristics.

ILPLL은 시스템에서 가장 저잡음 특성을 갖고 있는 기준 신호를 통해 주기적으로 전압제어발진기(voltage-controlled oscillator, VCO)의 누적된 지터(jitter)를 초기화하여 전압제어발진기의 노이즈를 감쇄시킨다. 따라서 ILPLL을 사용하면 작은 면적만을 사용하는 링 발진기(ring oscillator)를 사용하더라도 우수한 노이즈 성능을 얻을 수 있게 된다. The ILPLL reduces the noise of the voltage-controlled oscillator by periodically initializing the accumulated jitter of the voltage-controlled oscillator (VCO) through the reference signal with the lowest noise characteristic in the system. Therefore, when ILPLL is used, excellent noise performance can be obtained even if a ring oscillator using only a small area is used.

하지만 ILPLL은 주입(injection) 펄스와 전압제어발진기의 주파수/위상 차이가 굉장히 작을 경우에만 우수한 노이즈 특성을 갖고 주파수/위상 차이가 있는 경우에는 오히려 노이즈 성능을 저해시킬 수 있기 때문에 소자의 부정합 등의 환경 변화에 매우 민감하다는 문제점이 있다.However, ILPLL has excellent noise characteristics only when the frequency/phase difference between the injection pulse and the voltage-controlled oscillator is very small. There is a problem that it is very sensitive to change.

ILPLL의 우수한 노이즈 특성을 이용하기 위해 전압제어발진기와 주입 펄스 간의 주파수/위상 차이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 주파수를 일치시키기 위해 PFD/CP PLL이 포함된 주파수추적루프(frequency tracking loop, FTL)이 일반적으로 사용되지만 피드백 루프에 존재하는 주파수 분배기 때문에 in-band 노이즈 성능을 제한하게 된다. 추가적으로 위상을 보상하기 위해 bang-bang phase detector와 같은 FTL과 다른 구조의 기술이 사용되기 때문에 회로의 복잡도와 전력 소모가 증가한다는 문제점이 발생한다.In order to utilize the excellent noise characteristics of the ILPLL, many studies are being conducted to solve the frequency/phase difference between the voltage-controlled oscillator and the injection pulse. A frequency tracking loop (FTL) with a PFD/CP PLL is commonly used to match the frequency, but the frequency divider present in the feedback loop limits the in-band noise performance. Additionally, since a technology having a structure different from that of the FTL such as a bang-bang phase detector is used to compensate for the phase, circuit complexity and power consumption increase.

대한민국공개특허공보 제10-2015-0089770호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0089770

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 우수한 in-band noise 특성과 외부 환경 변화에 둔감한 서브샘플링 기반 FTL과 DLL을 적용한 주입-고정 위상고정루프를 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art, the present invention intends to propose an injection-locked phase-locked loop to which subsampling-based FTL and DLL are applied with excellent in-band noise characteristics and insensitive to external environment changes.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압제어발진기; 상기 전압제어발진기에 주입 펄스를 공급하는 듀얼 에지 주입 펄스 발생기; 제1 서브샘플링 전하펌프 및 데드존을 갖는 분주기-PFD/CP(phase frequency detector/charge pump)를 포함하며 상기 전압제어발진기에서 출력된 신호를 레퍼런스 신호 및 주입 펄스로 샘플링하는 서브샘플링 기반 주파수추적루프; 및 제2 서브샘플링 전하펌프를 포함하며 상기 전압제어발진기에 제어 전압을 입력하는 서브샘플링 기반 지연고정루프를 포함하는 주입-고정 위상고정루프가 제공된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, a voltage controlled oscillator; a dual edge injection pulse generator for supplying injection pulses to the voltage controlled oscillator; Subsampling-based frequency tracking including a first subsampling charge pump and a divider-PFD/CP (phase frequency detector/charge pump) having a dead zone and sampling a signal output from the voltage controlled oscillator as a reference signal and an injection pulse loop; and a second subsampling charge pump, the injection-locked phase locked loop including a subsampling-based delay locked loop for inputting a control voltage to the voltage controlled oscillator is provided.

상기 전압제어발진기는, 복수의 지연 셀 및 샘플러를 포함하고, 상기 복수의 지연 셀 각각은 하나의 샘플러와 2개의 지연 셀을 구동시킨다.The voltage controlled oscillator includes a plurality of delay cells and a sampler, and each of the plurality of delay cells drives one sampler and two delay cells.

상기 전압제어발진기는, 상기 복수의 샘플러 각각과 반대 위상으로 동작하는 복수의 더미 샘플러를 포함한다.The voltage-controlled oscillator includes a plurality of dummy samplers operating in a phase opposite to that of each of the plurality of samplers.

상기 서브샘플링 기반 주파수추적루프 및 상기 서브샘플링 기반 지연고정루프는 상기 전압제어발진기의 샘플러에 포함되는 샘플링 커패시터를 분리하는 아이솔레이션 버퍼를 포함한다.The subsampling-based frequency tracking loop and the subsampling-based delay locked loop include an isolation buffer for separating a sampling capacitor included in a sampler of the voltage controlled oscillator.

상기 제1 서브샘플링 전하펌프의 입력 커패시턴스는 상기 복수의 지연 셀의 커패시턴스의 두 배를 갖는다. An input capacitance of the first subsampling charge pump has twice the capacitance of the plurality of delay cells.

상기 듀얼 에지 주입 펄스 발생기는 상기 레퍼런스 신호의 상승 및 하강 에지에서 상기 주입 펄스를 생성하고, 상기 듀얼 에지 주입 펄스 발생기의 전단에 배치되어 듀티 오류를 방지하는 듀티 보정 회로를 더 포함한다.The dual edge injection pulse generator may further include a duty correction circuit configured to generate the injection pulse at rising and falling edges of the reference signal and disposed in front of the dual edge injection pulse generator to prevent a duty error.

주입-고정 위상고정루프로서, 복수의 지연 셀, 복수의 샘플러 및 복수의 더미 샘플러를 포함하는 전압제어발진기; 상기 전압제어발진기에 주입 펄스를 공급하는 듀얼 에지 주입 펄스 발생기; 제1 서브샘플링 전하펌프 및 데드존을 갖는 분주기-PFD/CP(phase frequency detector/charge pump)를 포함하며 상기 전압제어발진기에서 출력된 신호를 레퍼런스 신호 및 주입 펄스로 샘플링하는 서브샘플링 기반 주파수추적루프; 및 제2 서브샘플링 전하펌프를 포함하며 상기 전압제어발진기에 제어 전압을 입력하는 서브샘플링 기반 지연고정루프를 포함하되, 상기 복수의 지연 셀 각각은 하나의 샘플러와 2개의 지연 셀을 구동시키고, 상기 복수의 더미 샘플러는 상기 복수의 샘플러와 반대 위상으로 동작하는 주입-고정 위상고정루프가 제공된다. An injection-locked phase-locked loop comprising: a voltage controlled oscillator comprising a plurality of delay cells, a plurality of samplers, and a plurality of dummy samplers; a dual edge injection pulse generator for supplying injection pulses to the voltage controlled oscillator; Subsampling-based frequency tracking including a first subsampling charge pump and a divider having a dead zone-PFD/CP (phase frequency detector/charge pump) and sampling a signal output from the voltage controlled oscillator as a reference signal and an injection pulse loop; and a subsampling-based delay locked loop including a second subsampling charge pump and inputting a control voltage to the voltage controlled oscillator, wherein each of the plurality of delay cells drives one sampler and two delay cells, and An injection-locked phase-locked loop is provided in which the plurality of dummy samplers operate out of phase with the plurality of samplers.

본 발명에 따르면, 서브샘플링 기반 주파수추적루프 및 지연고정루프를 통해 우수한 in-band noise 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage in that excellent in-band noise characteristics can be implemented through the subsampling-based frequency tracking loop and the delay locked loop.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주입-고정 위상고정루프의 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성을 도시한 도면이다.
도 3의 본 실시예에 따른 전압제어발진기의 타이밍 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 듀티 보정 회로 및 및 듀얼 에지 주입 펄스 발생기의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 ILPLL의 선형 위상 도메인 모델을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 7은 본 실시예에 따른 ILPLL의 시뮬레이션 및 측정 결과를 도시한 도면이다.
1 is a block diagram of an injection-locked phase-locked loop according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a timing diagram of the voltage controlled oscillator according to the present embodiment.
4 is a diagram showing the configuration of the duty correction circuit and the dual edge injection pulse generator according to the present embodiment.
5 is a diagram illustrating a linear phase domain model of an ILPLL according to the present embodiment.
6 to 7 are diagrams illustrating simulation and measurement results of the ILPLL according to the present embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주입-고정 위상고정루프의 블록 다이어그램을 도시한 도면이다. 1 is a block diagram of an injection-locked phase-locked loop according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 주입-고정 위상고정루프(Injection-locked PLL, 이하 'ILPLL'라 함)은 2개의 루프인 서브샘플링 기반 주파수추적루프(Sub-sampling-based Freqeuncy Tracking Loop, 100, 이하 'SSFTL'이라 함) 및 서브샘플링 기반 지연고정루프(Sub-sampling-based Delay Locked Loop, 102, 이하, 'SSDLL'이라 함)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, the injection-locked phase-locked loop (hereinafter referred to as 'ILPLL') according to the present embodiment is a sub-sampling-based frequency tracking loop that is two loops. Tracking Loop 100, hereinafter referred to as 'SSFTL') and a sub-sampling-based Delay Locked Loop (102, hereinafter, referred to as 'SSDLL') may be included.

SSFTL(100)은 제1 펄스 생성부(110), 제1 서브샘플링 전하펌프(Sub-sampling charge pump, 112, 이하 '제1 SSCP'라 함), 루프필터(Loop Filter, LF, 114) 및 분주기-PFD/CP(116)를 포함할 수 있다. The SSFTL 100 includes a first pulse generator 110, a first sub-sampling charge pump 112, hereinafter referred to as a 'first SSCP'), a loop filter (Loop Filter, LF, 114), and A divider-PFD/CP 116 may be included.

본 실시예에 따르면, SSFTL(100)의 제1 SSCP(112)에서 전압제어발진기의 출력 신호를 레퍼런스 신호로 샘플링하기 때문에 기존 PFD/CP와 달리 주파수 분주기를 필요로 하지 않고, 제1 SSCP(112)의 노이즈가 N2배가 되지 않는다. According to this embodiment, since the first SSCP 112 of the SSFTL 100 samples the output signal of the voltage controlled oscillator as a reference signal, unlike the conventional PFD/CP, a frequency divider is not required, and the first SSCP ( 112) does not double by N.

하지만 이때 제1 SSCP(112)의 입력인 전압제어발진기(104)의 출력이 정현파이기 때문에 입출력 특징이 선형적이지 않고 이로 인해 주파수 캡쳐 범위(frequency capture range)가 좁아진다.However, at this time, since the output of the voltage controlled oscillator 104 , which is the input of the first SSCP 112 , is a sine wave, the input/output characteristics are not linear, and thus the frequency capture range is narrowed.

SSFTL(100)의 좁은 주파수 캡쳐 범위(Freqeuncy capture ragne) 극복을 위해 데드존(Dead Zone, DZ)을 갖는 분주기-PFD/CP(116)가 포함되고, 이는 주파수가 고정된 이후 비활성화된다. A divider-PFD/CP 116 having a dead zone (DZ) is included to overcome a narrow frequency capture ragne of the SSFTL 100 , which is deactivated after the frequency is fixed.

또한, SSDLL(102)는 펄스 생성부(120), 제2 서브샘플링 전하펌프(SSCP, 122) 및 가연 지연 셀(124)를 포함할 수 있다. Also, the SSDLL 102 may include a pulse generator 120 , a second subsampling charge pump SSCP 122 , and a false delay cell 124 .

제1 및 제2 펄스 발생기(110/120)는 SSFTL(100) 및 SSDLL(102)의 게인을 조정한다.The first and second pulse generators 110/120 adjust the gains of the SSFTL 100 and the SSDLL 102 .

가변 지연 셀(124)은 SSDLL(102)의 제2 서브샘플링 전하펌프(122)에 의해 제어되며, SSFTL(100)의 위상을 조정한다. The variable delay cell 124 is controlled by the second subsampling charge pump 122 of the SSDLL 102 and adjusts the phase of the SSFTL 100 .

전압제어발진기(104)의 서로 다른 위상을 갖는 세 개의 출력이 SSFTL(100) 및 SSDLL(102)에 입력된다. Three outputs having different phases of the voltage controlled oscillator 104 are input to the SSFTL 100 and the SSDLL 102 .

본 발명에서는 SSFTL(100)을 ILPLL에 적용해 in-band 노이즈가 증폭되는 문제점을 해결하고, 또한 위상 차이를 해결하기 위해 SSDLL(102)을 적용한다. In the present invention, the SSFTL 100 is applied to the ILPLL to solve the problem that in-band noise is amplified, and the SSDLL 102 is also applied to solve the phase difference.

하지만 서브샘플링 기술을 이용한다면 버퍼, 샘플링 스위치 및 샘플링 커패시터로 이루어진 샘플러의 지연으로 인해 정확한 위상 정보를 얻을 수 없다. However, if the subsampling technique is used, accurate phase information cannot be obtained due to the delay of the sampler consisting of a buffer, a sampling switch, and a sampling capacitor.

이에, 본 발명에서는 더미 샘플러를 포함하는 3-스테이지 링 전압제어발진기를 제공한다. Accordingly, the present invention provides a three-stage ring voltage controlled oscillator including a dummy sampler.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압제어발진기의 구성을 도시한 도면이다. 2 is a diagram showing the configuration of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전압제어발진기(104)에서 가변 커패시터(varactor)를 샘플링 커패시터로 사용하고 샘플링 스위치를 전압제어발진기(104) 내부에도 배치한다. Referring to FIG. 2 , in the voltage controlled oscillator 104 according to the present embodiment, a variable capacitor is used as a sampling capacitor and a sampling switch is also disposed inside the voltage controlled oscillator 104 .

추가적으로 모든 지연 셀(delay cell)이 1개의 샘플러와 2개의 지연 셀을 구동하도록 하여 정확한 위상 정보를 얻을 수 있도록 한다. 그리고 샘플러와 반대 위상으로 동작하는 더미 샘플러(Dummy Sampler)를 추가해 기생 성분으로 인해 전압제어발진기의 주파수가 변조(modulation)되는 것을 방지한다.Additionally, all delay cells drive one sampler and two delay cells to obtain accurate phase information. In addition, a dummy sampler operating in the opposite phase to the sampler is added to prevent modulation of the frequency of the voltage-controlled oscillator due to parasitic components.

in-band 노이즈를 완화하고 위상 오프셋을 보정하기 위해 전압제어발진기(104)의 출력은 레퍼런스(Ref) 및 주입 펄스(Inj)에 의해 샘플링된다. The output of the voltage-controlled oscillator 104 is sampled by the reference Ref and the injection pulse Inj in order to mitigate the in-band noise and correct the phase offset.

샘플링 커패시터가 전압제어발진기(104)에 주기적으로 연결되면 지연 셀(Delay Cell)의 부하 커패시턴스가 변경된다. When the sampling capacitor is periodically connected to the voltage controlled oscillator 104, the load capacitance of the delay cell is changed.

전압제어발진기(104)의 출력 주파수(fVCO)는 단위 지연 셀의 지연 함수이므로 fVCO는 레퍼런스 및 주입 펄스에 의해 변조된다. Since the output frequency f VCO of the voltage controlled oscillator 104 is a delay function of the unit delay cell, f VCO is modulated by the reference and injection pulses.

아이솔레이션 버퍼(Isolation Buffer)는 전압제어발진기(104)에서 샘플링 커패시터를 분리하는데 사용된다. 샘플링 커패시터는 아이솔레이션 버퍼에 관계없이 지연 셀의 입출력 기생 커플링으로 인해 fVCO에 여전히 영향을 미치기 때문에 레퍼런스 및 주입 펄스와 반대 동작을 하는 더미 샘플러도 전압제어발진기(104)의 각 스테이지에 통합된다. 아이솔레이션 버퍼를 사용하면 샘플링 커패시터의 주기적 연결을 효과적으로 방지할 수 있지만 아이솔레이션 버퍼의 지연으로 인해 정확한 위상을 얻을 수 없다.An isolation buffer is used to isolate the sampling capacitor from the voltage controlled oscillator 104 . Since the sampling capacitor still affects f VCO due to the input and output parasitic coupling of the delay cell regardless of the isolation buffer, a dummy sampler, which operates opposite to the reference and injection pulses, is also incorporated into each stage of the voltage controlled oscillator 104 . The use of an isolation buffer can effectively prevent the periodic connection of the sampling capacitor, but the delay of the isolation buffer prevents the correct phase from being obtained.

전압제어발진기(104)에서 가변 커패시터는 일반적으로 제어 전압 VC에 따라 달라지는 주파수를 구현하는데 사용된다. 샘플링 커패시터는 동일한 VC를 공유하는 가변 커패시터로 사용되며 샘플링 스위치는 아이솔레이션 버퍼 및 지연 셀의 지연을 일치시키기 위해 전압제어발진기(104)에 배치된다. In the voltage controlled oscillator 104, a variable capacitor is generally used to implement a frequency that varies depending on the control voltage VC. A sampling capacitor is used as a variable capacitor sharing the same VC and a sampling switch is placed in the voltage controlled oscillator 104 to match the delay of the isolation buffer and delay cell.

상기한 바와 같이, 모든 지연 셀은 하나의 샘플러와 두 개의 지연 셀을 구동하기 때문에 제1 SSCP(112)의 입력 커패시턴스는 지연 셀의 커패시턴스의 두 배로 설계되어야 한다. 지연 셀의 부하를 최소화하기 위해 PMOS 샘플링 스위치만 사용하므로 전압 범위가 제한된 전류 모드 로직도 사용된다. 도 3의 타이밍 다이어그램에 따르면 VCOP와 VCON은 레퍼런스 및 주입 펄스에 의해 샘플링되고 위상차는 VCOPS와 VCONS 사이의 전압 차로 변환된다. 그 후 제1 SSCP(112)는 PULFTL 및 PULDLL에 따라 VC 및 VC_DLL을 충전 또는 방전한다. 안정화 시간을 보장하고 SSCP를 트랙 모드에서 분리하기 위해 tset 및 tmargin도 추가된다.As described above, since all delay cells drive one sampler and two delay cells, the input capacitance of the first SSCP 112 should be designed to be twice the capacitance of the delay cell. Current mode logic with limited voltage range is also used as only PMOS sampling switches are used to minimize the load on the delay cell. According to the timing diagram of FIG. 3 , VCO P and VCO N are sampled by reference and injection pulses, and the phase difference is converted into a voltage difference between VCO PS and VCO NS . Thereafter, the first SSCP 112 charges or discharges VC and VC_DLL according to PUL FTL and PUL DLL . t set and t margin are also added to ensure settling time and isolate SSCP from track mode.

본 실시예에 따른 ILPLL은 듀티 보정 회로(Duty Compensation Circuit, DCC, 130) 및 듀얼 에지 주입 펄스 발생기(DE Inj Gen. 132)를 포함한다. The ILPLL according to the present embodiment includes a duty compensation circuit (DCC, 130) and a dual edge injection pulse generator (DE Inj Gen. 132).

듀얼 에지 주입 펄스 발생기(132)는 레퍼런스의 상승 및 하강 에지에서 짧은 주입 펄스(Inj)를 생성한다. The dual edge injection pulse generator 132 generates short injection pulses Inj at the rising and falling edges of the reference.

듀얼 에지 주입에 듀티 오류가 있으면 상승과 하강 사이의 위상 오차로 인해 추가 스퍼 및 노이즈 성능이 저하된다. 이러한 듀티 오류를 방지하기 위해 듀얼 에지 주입 펄스 발생기(132)의 전단에는 듀티 보정 회로(130)가 제공된다. If there is a duty error in the dual-edge injection, the phase error between the rise and fall will result in additional spur and noise performance degradation. In order to prevent such a duty error, a duty correction circuit 130 is provided at the front end of the dual edge injection pulse generator 132 .

주입 펄스는 전압제어발진기(104)의 누적 지터를 초기화하고, 주입 펄스와 전압제어발진기(104) 출력 사이의 위상차를 샘플링한다. The injection pulse initializes the accumulated jitter of the voltage controlled oscillator 104 and samples the phase difference between the injection pulse and the voltage controlled oscillator 104 output.

도 4는 본 실시예에 따른 듀티 보정 회로 및 및 듀얼 에지 주입 펄스 발생기의 구성을 도시한 도면이다. 4 is a diagram showing the configuration of the duty correction circuit and the dual edge injection pulse generator according to the present embodiment.

도 4a에 도시된 바와 같이, PVT 변동과 Ref의 공통 모드 전압으로 인한 듀티 사이클 오류로 인해 추가 지터 및 스퍼가 발생하는 것을 방지하기 위해 6 비트 듀티 보정 회로가 사용될 수 있다. As shown in Figure 4a, a 6-bit duty correction circuit can be used to prevent additional jitter and spurs from occurring due to duty cycle errors due to PVT fluctuations and the common mode voltage at Ref.

여기서, 듀티 보정 회로(130)는 자체 바이어스 인버터와 전류 소스로 구성될 수 있다. Here, the duty correction circuit 130 may include a self-bias inverter and a current source.

듀티 보정 회로(130)의 입력 커플링 커패시터는 Ref의 공통 모드 전압의 영향을 받지 않는다. 풀업/다운 전류 소스를 조정함으로써 듀티 사이클은 6 비트 오프 칩 신호로 제어된다. The input coupling capacitor of the duty correction circuit 130 is not affected by the common mode voltage of Ref. By adjusting the pull-up/down current source, the duty cycle is controlled with a 6-bit off-chip signal.

듀티 보정 회로(130)는 상승 및 하강 시 짧은 펄스를 생성하기 위해 XOR 게이트가 일반적으로 사용된다. 그러나 XOR의 출력 경로는 두 입력의 조합에 따라 달라지므로 성능도 저하될 수 있다. In the duty correction circuit 130, an XOR gate is typically used to generate short pulses on rising and falling. However, the output path of XOR depends on the combination of the two inputs, which can also degrade performance.

이에, 도 4b와 같이 멀티플렉서 기반의 주입 펄스 발생기가 사용될 수 있다. Accordingly, a multiplexer-based injection pulse generator may be used as shown in FIG. 4B.

도 4b를 참조하면, 단일 종단 Ref는 차동 신호로 변환된다. 그 후 NAND는 상승/하강 시 짧은 펄스를 생성한다. Inj의 펄스 폭은 NAND 앞의 인버터 지연에 의해 결정된다. NAND의 출력은 전송 게이트에 의해 선택된다. 두 개의 다른 경로에서 지연 불일치는 듀티 보정 회로(130)에 의해 보정될 수 있다.Referring to Figure 4b, the single-ended Ref is converted to a differential signal. The NAND then generates short pulses on rising/falling. The pulse width of Inj is determined by the inverter delay before the NAND. The output of the NAND is selected by the transfer gate. The delay mismatch in the two different paths may be corrected by the duty correction circuit 130 .

도 5는 본 실시예에 따른 ILPLL의 선형 위상 도메인 모델을 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a linear phase domain model of an ILPLL according to the present embodiment.

앞서 언급한 것처럼 피드백 루프에 주파수 분배기가 존재하지 않는다. in-band 노이즈에 가장 큰 영향을 미치는 CP 노이즈인

Figure 112022061228771-pat00001
의 전달함수(transfer function)을 살펴보면 기존의 ILPLL보다 우수한 노이즈 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 SSDLL(102)의 대역폭이 상대적으로 느리게 설계되었기 때문에 SSDLL(102)에 제2 서브샘플링 전하펌프(122)가 추가되었음에도 불구하고 추가된 노이즈인
Figure 112022061228771-pat00002
가 출력에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. As mentioned earlier, there is no frequency divider in the feedback loop. CP noise that has the greatest effect on in-band noise
Figure 112022061228771-pat00001
Looking at the transfer function of , it can be seen that the noise performance is superior to that of the conventional ILPLL. In addition, since the bandwidth of the SSDLL 102 is designed to be relatively slow, the added noise is
Figure 112022061228771-pat00002
It can be seen that does not affect the output.

본 실시예에 따른 ILPLL 구조의 우수성을 검증하기 위해 65nm CMOS 공정을 사용해 3.2 GHz로 동작하는 시제품을 제작하였다. In order to verify the superiority of the ILPLL structure according to this embodiment, a prototype operating at 3.2 GHz was manufactured using a 65 nm CMOS process.

도 6 내지 도 7은 본 실시예에 따른 ILPLL의 시뮬레이션 및 측정 결과를 도시한 도면이다. 6 to 7 are diagrams illustrating simulation and measurement results of the ILPLL according to the present embodiment.

도 6 내지 도 7을 참조하면, PFD/CP FTL을 사용한 기존 ILPLL 대비 10 kHz offset에서 8.6 dB의 phase noise 성능 개선효과를 보였고 rms 지터는 242 fs에서 178 fs로 26.4 % 개선되었다. 추가로 SSDLL의 성능을 검증하기 위해여 총 20개의 시제을 측정하였다. SSDLL이 활성화 된 경우 평균 rms jitter는 186.1 fs로 SSDLL이 비활성화 되었을 때의 225.2 fs 보다 17.4% 개선된 성능을 보여 SSDLL이 성공적으로 위상 차이를 보상해주고 있음을 확인하였다.6 to 7, compared to the conventional ILPLL using the PFD/CP FTL, the phase noise performance improvement effect of 8.6 dB at 10 kHz offset was improved, and the rms jitter was improved by 26.4% from 242 fs to 178 fs. In addition, to verify the performance of SSDLL, a total of 20 tenses were measured. When SSDLL is enabled, the average rms jitter is 186.1 fs, which is 17.4% better than 225.2 fs when SSDLL is disabled, confirming that SSDLL is successfully compensating for the phase difference.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for purposes of illustration, and various modifications, changes, and additions will be possible within the spirit and scope of the present invention by those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention, and such modifications, changes and additions should be regarded as belonging to the following claims.

Claims (7)

주입-고정 위상고정루프로서,
전압제어발진기;
상기 전압제어발진기에 주입 펄스를 공급하는 듀얼 에지 주입 펄스 발생기;
제1 서브샘플링 전하펌프 및 데드존을 갖는 분주기-PFD/CP(phase frequency detector/charge pump)를 포함하며 상기 전압제어발진기에서 출력된 신호를 레퍼런스 신호 및 주입 펄스로 샘플링하는 서브샘플링 기반 주파수추적루프; 및
제2 서브샘플링 전하펌프를 포함하며 상기 전압제어발진기에 제어 전압을 입력하는 서브샘플링 기반 지연고정루프를 포함하는 주입-고정 위상고정루프.
An injection-locked phase-locked loop comprising:
voltage controlled oscillator;
a dual edge injection pulse generator for supplying an injection pulse to the voltage controlled oscillator;
Subsampling-based frequency tracking including a first subsampling charge pump and a divider-PFD/CP (phase frequency detector/charge pump) having a dead zone and sampling a signal output from the voltage controlled oscillator as a reference signal and an injection pulse loop; and
An injection-locked phase-locked loop comprising a second subsampling charge pump and comprising a subsampling-based delay-locked loop for inputting a control voltage to the voltage-controlled oscillator.
제1항에 있어서,
상기 전압제어발진기는, 복수의 지연 셀 및 샘플러를 포함하고,
상기 복수의 지연 셀 각각은 하나의 샘플러와 2개의 지연 셀을 구동시키는 주입-고정 위상고정루프.
According to claim 1,
The voltage controlled oscillator includes a plurality of delay cells and a sampler,
An injection-locked phase-locked loop in which each of the plurality of delay cells drives one sampler and two delay cells.
제2항에 있어서,
상기 전압제어발진기는, 상기 복수의 샘플러 각각과 반대 위상으로 동작하는 복수의 더미 샘플러를 포함하는 주입-고정 위상고정루프.
3. The method of claim 2,
The voltage-controlled oscillator may include a plurality of dummy samplers operating in a phase opposite to that of each of the plurality of samplers.
제3항에 있어서,
상기 서브샘플링 기반 주파수추적루프 및 상기 서브샘플링 기반 지연고정루프는 상기 전압제어발진기의 샘플러에 포함되는 샘플링 커패시터를 분리하는 아이솔레이션 버퍼를 포함하는 주입-고정 위상고정루프.
4. The method of claim 3,
The subsampling-based frequency tracking loop and the subsampling-based delay-locked loop include an isolation buffer for separating a sampling capacitor included in a sampler of the voltage-controlled oscillator.
제4항에 있어서,
상기 제1 서브샘플링 전하펌프의 입력 커패시턴스는 상기 복수의 지연 셀의 커패시턴스의 두 배를 갖는 주입-고정 위상고정루프.
5. The method of claim 4,
and an input capacitance of the first subsampling charge pump is twice the capacitance of the plurality of delay cells.
제1항에 있어서,
상기 듀얼 에지 주입 펄스 발생기는 상기 레퍼런스 신호의 상승 및 하강 에지에서 상기 주입 펄스를 생성하고,
상기 듀얼 에지 주입 펄스 발생기의 전단에 배치되어 듀티 오류를 방지하는 듀티 보정 회로를 더 포함하는 주입-고정 위상고정루프.
According to claim 1,
the dual edge injection pulse generator generates the injection pulse at rising and falling edges of the reference signal;
The injection-locked phase locked loop further comprising a duty correction circuit disposed in front of the dual edge injection pulse generator to prevent a duty error.
주입-고정 위상고정루프로서,
복수의 지연 셀, 복수의 샘플러 및 복수의 더미 샘플러를 포함하는 전압제어발진기;
상기 전압제어발진기에 주입 펄스를 공급하는 듀얼 에지 주입 펄스 발생기;
제1 서브샘플링 전하펌프 및 데드존을 갖는 분주기-PFD/CP(phase frequency detector/charge pump)를 포함하며 상기 전압제어발진기에서 출력된 신호를 레퍼런스 신호 및 주입 펄스로 샘플링하는 서브샘플링 기반 주파수추적루프; 및
제2 서브샘플링 전하펌프를 포함하며 상기 전압제어발진기에 제어 전압을 입력하는 서브샘플링 기반 지연고정루프를 포함하되,
상기 복수의 지연 셀 각각은 하나의 샘플러와 2개의 지연 셀을 구동시키고, 상기 복수의 더미 샘플러는 상기 복수의 샘플러와 반대 위상으로 동작하는 주입-고정 위상고정루프.
An injection-locked phase-locked loop comprising:
a voltage controlled oscillator including a plurality of delay cells, a plurality of samplers, and a plurality of dummy samplers;
a dual edge injection pulse generator for supplying injection pulses to the voltage controlled oscillator;
Subsampling-based frequency tracking including a first subsampling charge pump and a divider having a dead zone-PFD/CP (phase frequency detector/charge pump) and sampling a signal output from the voltage controlled oscillator as a reference signal and an injection pulse loop; and
A subsampling-based delay lock loop comprising a second subsampling charge pump and inputting a control voltage to the voltage controlled oscillator,
wherein each of the plurality of delay cells drives one sampler and two delay cells, and the plurality of dummy samplers operate in an opposite phase to the plurality of samplers.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8841948B1 (en) * 2013-03-14 2014-09-23 Xilinx, Inc. Injection-controlled-locked phase-locked loop
KR20150089770A (en) 2014-01-28 2015-08-05 삼성전자주식회사 Injection-Locked PLL circuit using DLL
US20190115925A1 (en) * 2017-10-12 2019-04-18 Oracle International Corporation Digitally assisted feedback loop for duty-cycle correction in an injection-locked pll

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8841948B1 (en) * 2013-03-14 2014-09-23 Xilinx, Inc. Injection-controlled-locked phase-locked loop
KR20150089770A (en) 2014-01-28 2015-08-05 삼성전자주식회사 Injection-Locked PLL circuit using DLL
US20190115925A1 (en) * 2017-10-12 2019-04-18 Oracle International Corporation Digitally assisted feedback loop for duty-cycle correction in an injection-locked pll

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