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