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自己参照クロック技術とカスケード接続型時間差増幅器を用いた
参照クロック不要・高分解能オンチップタイミングジッタ測定回路 群馬大学大学院 針谷 尚裕 新津 葵一 櫻井 正人 平林 大樹 山口 隆弘 e-mail : [email protected] 研究代表者 : 小林 春夫
Cro
ssta
lk C
an
ce
l
実装回路
C
rossta
lk C
an
ce
l 序論
C
rossta
lk
Can
ce
l
結論
タイミングジッタ測定の原理
Cu
mu
lati
ve D
istr
ibu
tio
n
Fu
ncti
on
(C
DF
)
Dif
fere
nti
ate
0% 10% 50% 90% 100%
Pro
bab
ilit
y D
istr
ibu
tio
n
Fu
ncti
on
(P
DF
)
DT
Gaussian
Fitting
Obtain RMS
Value (s)
CUT(Clock
Under Test)
Ref.
Clock
Time Difference Between
CUT & Ref. Clock, DT
従来手法と提案手法の比較
3T-Delay
Latch OUT
Delay [ps]
0
40
80
120
160
200
1473 153115131491
Co
un
t o
f O
utp
ut
Pu
lse
Co
un
t o
f O
utp
ut
Pu
lse
REF
CUT
CUT
0
40
80
120
160
200
Conventional
(w/ Reference Clock)
Proposed
(w/ Self-Referenced Clock)
Latch OUT
T =500ps
2Broadened by
実装回路
CLK
(Period :T )
mbit Digital Code
(CDF)Latch CounterTDA
nT-delay
(n≥3)
DT in
Digital
Cascaded TDA
DT
Co
un
ter
Ou
tpu
t
CLK
(Period :T )
mbit Digital Code
(CDF)Latch Counter
nT-delay
(n≥3)
DT in
Digital
DT
Co
un
ter
Ou
tpu
t
w/o Time Difference Amplifier (TDA)
w/ Cascaded TDA
時間差増幅器によるジッタ増幅
時間差増幅器を用いたジッタ増幅により 28 fs 分解能を達成
ディジタル制御遅延線の分解能 : 4 ps
自己参照クロックによる分布の拡がり : x
4段のカスケード接続型時間差増幅器のゲイン : 約100
2
高ゲインの時間差増幅器は動作速度が低下
デューティサイクル補償 (670 MHz → 820 MHz)
Jitter
Amplification
by TDA
Time Resolution of
Digitally-Controlled
Delay Line
PDF of Jitter
(w/o TDA)
PDF of Jitter
(w/ TDA)
デューティサイクル補償の必要性
4-Stage Cascaded TDA (Gain : a4)
a-Gain
TDAaDTin a4DTin
Tout1
DTin
out1
in1
in2
out2Tout2
a4DTin
Pulse disappears
out1
out2
in1
in2
a-Gain
TDA
a-Gain
TDA
a-Gain
TDA
Rising EdgeFalling Edge
Non-overlapped
DTin
デューティサイクル補償の効果
in1
in2
Tout1
out1
in1’
in2’
out2Tout2
4-Stage Cascaded TDA (Gain : a4)
Duty Ctrl.
Duty Ctrl.
aDTin a4DTin
DTin
in1
in2
a4DTin
in1’
in2’
a-Gain
TDA
a-Gain
TDA
a-Gain
TDA
a-Gain
TDADTin
out1
out2
時間差増幅器のゲイン
DTin [ps]
DTout [ps]
500
-500
0
-5 5
ジッタ測定結果
0
1.5
2
Injected RMS Jitter [ps]
0 2.521.5
Me
as
ure
d R
MS
Jit
ter
[ps
]
2.5: 820MHz Clock: 410MHz Clock
テストチップ写真
Without TDA
(490 mm2)
With TDA
(1350 mm2)
Process : 65 nm CMOS
Supply Voltage : 1.2 V
35 mm
14 mm45 mm
30 mm
Cro
ssta
lk a
ncel
測定結果
ジッタ測定結果
0
1.5
2
Injected RMS Jitter [ps]
0 2.521.5
Me
as
ure
d R
MS
Jit
ter
[ps
]
2.5: 820MHz Clock: 410MHz Clock
Probability Distribution Function (PDF)
Time [ps]
-6 60-3 3
A T
imin
g J
itte
r P
DF
Me
as
ure
d
by T
he
Pro
po
se
d C
ircu
it
(Aft
er
Cali
bra
tio
n o
f T
DA
)
2.36 ps RMS1.67 ps RMS
Timing Jitter
Gaussian
Fitting
2
1
Calibration for Self-
referenced Clock
Clock Frequency
: 820 MHz
Injected Timing Jitter
: 1.61 ps RMS
DTin [ps]
DTout [ps]
500
-500
0
-5 5
Meas. CDF
TDA’s gain
Cumulative Distribution Function (CDF)
Relative Delay [ps]
0
256
512
768
1024
Co
un
t o
f O
utp
ut
Pu
lse
0 1220610305 915
(0) (1T )(0.5T )(0.25T ) (0.75T )
Clock Frequency : 820 MHz
まとめ
参照クロック不要,高分解能であるタイミングジッタ測定を実証
自己参照クロックは参照クロックの要求を取り除く
カスケード接続型時間差増幅器により高分解能化が可能
65 nm CMOSで試作を行い,提案回路の効果を検証
1.61 ps RMSジッタ(誤差4%)の検出に成功
820 MHz ,28 fs 分解能
従来手法 (参照クロックあり)
CUT
Dela
y o
f th
e D
ela
y L
ine
Ideal Clock
(Dotted Line)
+0.05T
OUT’”
+0.05T
Latch
CUT
OUT”’
OUT’
-0.05T
LatchOUT’
CUT-0.05T
0T
OUT”
+0T
Latch
CUT
OUT”
REF
REF
REF
REF
REF
REF
1
3
6
提案手法 (参照クロックなし)Ideal Clock
(Dotted Line)
Dela
y o
f th
e D
ela
y L
ine
1→2
3→3
6→5
研究背景・目的
200 fs RMSジッタを実現するようなADPLLが開発されている
低コスト(参照クロック不要),高分解能(200 fs以下)であるオンチップタイミングジッタ測定回路が要求されている
従来手法は参照クロックを必要とし,分解能は400 fs
本研究
参照クロック不要,高分解能(28 fs)なオンチップタイミングジッタ測定回路を実現した
Period Jitter : JTiming Jitter : DfDf (0) Df (T) Df (2T)
T±J
性能比較
Process
This Work Conventional
(1, IBM)
Area
Reference Clock
w/o TDA w/ TDA
65 nm
Conventional
(2, Advantest)
130 nm 130 nm
Unnecessary Necessary Unnecessary
3200 mm2117000 mm2
+ I/O Pad
Measured JitterTiming
(Direct)Timing
(S Period)
Output Signal Digital DigitalHigh-Speed
Analog
490mm2 1350mm2
Frequency 2 GHz2.5 GHz3.5 GHz 820 MHz
Resolution N/A400 fs2.8 ps 28 fs
Timing
( Times) 2
オンチップジッタ測定の文献
This Work
Unnecessary
Digital
28 fs
Conventional
(1, IBM)
Reference Clock
Conventional
(2, Advantest)
Necessary Unnecessary
Measured JitterTiming
(Direct)Timing
(S Period)
Output Signal DigitalHigh-Speed
Analog
Resolution 0.4 ps N/A
本研究の狙い(文献[1]と比較)
自己参照クロック技術により,“参照クロック不要”のオンチップタイミングジッタ測定回路を実現
カスケード接続型時間差増幅器を用いて,高分解能(28 fs)を達成
Timing
( Times) 2
[1] K. Jenkins, et al., “An on-chip jitter measurement circuit with sub-picosecond
resolution,” in Proc. European Solid-State Circuits Conf., Sep. 2005, pp. 157-160.
[2] M. Ishida, et al., “A Programmable On-Chip Picosecond Jitter-Measurement Circuit
without a Reference-Clock Input,” in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.,
pp. 512-513, Feb. 2005.
理論的背景(“ ”倍に拡がる理由)
REF
RMS
CUT
RMS
REF
RMS
CUT
RMSSkew ffffs DDDD 2ˆ22
Latch
CUT
RMSfDREF
RMSfD
(Conventional [1]) (This Work)
Random Skew Measurement by Latching [3, T. Yamaguchi, TCAD]
RMS Value of Timing Jitter of Data, ClkCross-correlation
Coefficient,
LatchCUT
REF
CUTRMS
REFRMS ff DD
CUTRMSSkew fs Dˆ
Reference-Clock-Required Reference-Clock-Free
0.0][nTCUTREF ff DD
LatchCUT
nT-delay
(n≥3)
220ˆ nTCUTCUT
Skew ffs DD
CUTRMS
CUTRMS ff DD 22
2
REFRMS
CUTRMS
REFRMS
CUTRMSSkew ffffs DDDD 2ˆ
22 REFRMS
CUTRMS
REFRMS
CUTRMSSkew ffffs DDDD 2ˆ
22
2
[3] T. J. Yamaguchi, et al., “Skew Measurement in Clock Distribution Circuits Using an
Analytic Signal Method,” IEEE Trans. On CAD, vol. 23, no. 7, pp. 997-1009, Jul. 2004.
理論的背景(“ ”倍に拡がる理由)
REF
RMS
CUT
RMS
REF
RMS
CUT
RMSSkew ffffs DDDD 2ˆ22
Latch
CUT
RMSfDREF
RMSfD
(Conventional [1]) (This Work)
Random Skew Measurement by Latching [3, T. Yamaguchi, TCAD]
RMS Value of Timing Jitter of Data, ClkCross-correlation
Coefficient,
LatchCUT
REF
CUTRMS
REFRMS ff DD
CUTRMSSkew fs Dˆ
Reference-Clock-Required Reference-Clock-Free
0.0][nTCUTREF ff DD
LatchCUT
nT-delay
(n≥3)
220ˆ nTCUTCUT
Skew ffs DD
CUTRMS
CUTRMS ff DD 22
2
REFRMS
CUTRMS
REFRMS
CUTRMSSkew ffffs DDDD 2ˆ
22 REFRMS
CUTRMS
REFRMS
CUTRMSSkew ffffs DDDD 2ˆ
22
2
[3] T. J. Yamaguchi, et al., “Skew Measurement in Clock Distribution Circuits Using an
Analytic Signal Method,” IEEE Trans. On CAD, vol. 23, no. 7, pp. 997-1009, Jul. 2004.
関連発表論文および特許出願1) K. Niitsu, M. Sakurai, N. Harigai, D. Hirabayashi, T. J. Yamaguchi, and H. Kobayashi,
"A Reference-Clock-Free On-Chip Timing Jitter Measurement Circuit Using a Cascaded
Time Difference Amplifier in 65nm CMOS," accepted to IEEE/ACM Asia and South Pacific
Design Automations Conf. (ASP-DAC 2012, University LSI Design Contest), Jan. 2012.
2) N. Harigai, K. Niitsu, D. Oki, M. Sakurai, T. J. Yamaguchi, and H. Kobayashi, "A Twistedly-
Cascaded Time Difference Amplifier for High Robustness Against Process Variation," in
Proc. Int. Conf. on Solid-State Devices and Materials (SSDM 2011), Sep. 2011, pp. 184-185.
3) M. Sakurai, K. Niitsu, N. Harigai, D. Hirabayashi, D. Oki, T. J. Yamaguchi, and H. Kobayashi,
"Analysis of Jitter Accumulation in Interleaved Phase Frequency Detectors for High-
Accuracy On-Chip Jitter Measurements," in Proc. Int. SoC Design Conf. (ISOCC 2011),
Nov. 2011, pp. 146-149.
4) K. Niitsu, M. Sakurai, N. Harigai, T. J. Yamaguchi, and H. Kobayashi, "An On-Chip Timing
Jitter Measurement Circuit Using a Self-Referenced Clock and a Cascaded Time Difference
Amplifier with Duty-Cycle Compensation," in Proc. IEEE Asian Solid-State Circuits Conf.
(A-SSCC 2011), Nov. 2011, pp. 201-204.
5) 新津葵一、針谷尚裕、櫻井正人、小林春夫、「時間差増幅回路」、出願番号:特願2011-206258、出願日:平成23年9月21日
6) 新津葵一、小林春夫、「オンチップジッタデータ取得回路、ジッタ測定装置、及びその方法」、出願番号:特願2010-219286、出願日:平成 22年9月29日