This thesis introduces design techniques for a low-spur and a low-noise multiplying delay locked loop (MDLL). For a low-spur MDLL, a novel time register based spur reduction technique is proposed. This technique does not suffer from path mismatch due to additional time register offset calibration, and consumes low power compared to a conventional MDLL. In addition, to achieve a low noise MDLL, a double injection technique is proposed. The double injection technique replaces the output noisy edge of the oscillator not only with the rising edge of a reference clock, but also with the falling edge. Moreover, duty-cycle correction technique based on the time register is implemented to reduce reference spur caused by misalignment between the falling edge of reference clock and the output edge of the oscillator. With this technique, theoretically 6dB reduction in phase noise can be achieved.
A time register and double injection technique based MDLL prototype is implemented in SEC 28nm CMOS technology. The MDLL output frequency is 2.4 GHz using 75 MHz reference clock. The phase noise of the proposed MDLL is -117 dBc/Hz at 10 MHz offset frequency, the measured reference spur is -54.16 dB, and the total power consumption is 1.1 mW. The measurements demonstrate the novelty of the proposed time register based spur reduction technique and the effectiveness of the double injection technique.
본 논문은 낮은 기준주파수 스퍼와 낮은 전력을 소모하는 체배지연동기루프를 제안하였다. 기준 주파수 스퍼를 낮추기 위하여 시간 저장기를 이용한 스퍼 감소 기술을 제안하였다. 이 기술은 추가적으로 제안된 시간 저장기 오프셋 제거 방법을 통하여 불일치로 인한 오프셋이 존재하지 않으며 기존의 MDLL에 비해 소모 전력을 20배 감소 시켰다. 또한 이중 주입기법을 제안함으로써 기준 주파수 클럭의 상승 에지뿐만 아니라 하강 에지 또한 MDLL에 주입 시킬 수 있었다. 이로 인해 추가적인 위상잡음은 약 6dB를 얻을 수 있었다. 이중 주입시 시간 저장기를 이용한 스퍼 감소 기술을 공통으로 이용하여 하강엣지의 오프셋을 제거하는 기법을 제안함으로써 이중 주입시 하강 엣지의 오프셋 문제를 제거할 수 있었다. 위와 같은 구조는 삼성 28nm CMOS 공정으로 제작되었으며 전체 소모전력은 약 1.07mW, 위상 잡음은 10MHz 오프셋에서 -117dBc/Hz를 얻을 수 있었고 기준 주파수 스퍼는 약 -54dBc의 성능을 얻을 수 있었다. 이는 본 논문에서 제안하는 시간 저장기를 이용한 MDLL의 스퍼 제거 방법이 굉장히 효과적이면서도 저전력으로 동작할 수 있음을 뜻한다. 또한 추가적으로 제안한 이중 주입 기법으로 고주파 대역의 위상잡음은 평균적으로 4dB가 좋아졌으며 IPN은 약 500fsrms가 줄어듦으로써 그 효과를 확인할 수 있었다. 또한 이중주입으로 인한 추가적인 스퍼도 약 -50dBc로 확인되었는데, 이는 하강엣지의 오프셋으로 인한 스퍼가 시간저장기를 이용한 감소 기법으로 효과적으로 줄일 수 있음을 나타낸다.
