RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ iru...

Post on 22-Sep-2020

6 views 0 download

Transcript of RI WKH 5HTXLUHPHQWV IRU WKH 'HJUHH RI 0DVWHU RI … · )ljxuh (iihfw ri rq orrs vwd elolw\ 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������

��

��

�&(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\�

��

��������

6DOO\�6DIZDW�0RDZDG�$PLQ�

$//�5,*+76�5(6(59('

LY��

Dedication

To Mum and Dad

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���

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

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

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

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

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

[��

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

[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����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

[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����������������������������������������������������������������������������������������������������������

[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������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

[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����������������������������������������������������������������������������������������

[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�

[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�

[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���

���

���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]

���

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

���

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]

���

�+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

���

�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��

���

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

���

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´�����������

���

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\�

���

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

����

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

����

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�

����

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��

����

� 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

����

�$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

����

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]

����

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

����

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

����

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��

����

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

����

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

����

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��

����

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]

����

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��

����

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

����

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

����

)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

����

,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���

����

=�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��

����

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.

����

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

����

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

����

�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�

����

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

����

����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�

����

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

����

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

����

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�

����

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

����

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� �����

����

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� �����

����

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�

����

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:�� ����� ����� ���� ����

����

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�������������������������

)�

����

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�������

����

)&

)&

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��������������������

����

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

����������������������

����

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

����

�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�

����

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

����

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

����

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

����

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�

����

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

����

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�

����

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�

����

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����

����

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

����

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

����

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�

����

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

����

�)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

����

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�

����

%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�

����

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�

����

� = 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��

����

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�

����

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 �

����

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

����

+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+]���

����

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

����

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��� �����

����

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

����

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�

����

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

����

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�

����

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+]�� ���� ��� ��� ��� ����

����

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�

����

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��

����

+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����

����

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�

����

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��

����

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�������

����

>��@� $�� ,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�������

����

>��@� +��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�

����

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��������

����

>��@� 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\�������

����

>��@� -��'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��������

����

>��@� &��+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\�������