İki Konumlu Fkç’ler İle Saat Ve Data İşaretlerinin Yeniden Çıkarımı

Abstract

Bu çalışmada, saat ve data işaretlerinin yeniden çıkarımında kullanılan iki konumlu faz kititlemeli çevrimlerden bahsedilmiştir. Sistem seviyesinde hızlı simülasyonlar yapabilmek amacıyla çevrim elemanlarının davranışsal modelleri geliştirilmiştir. İki konumlu kontrol sistemlerinin el ile analizinin oldukça zor olmasından dolayı modelleme zorunlu hale gelmektedir. Ayrıca gerçeklenen elemanların idealsizliklerinden kaynaklanan davranışlar da olabilidiğince modellenmeye çalışılmıştır. Söz konusu faz kilitlemeli çevrimlerin sistem seviyesinde sağlaması gereken özelliklerin kabaca hesaplanması ve datadaki değişim sıklığının bu özellikleri nasıl etkilediği anlatılmıştır. Çevrim elemanlarının tranzistör seviyesinde nasıl gerçeklendiklerinden bahsedilmiştir. Çok kullanılan bir ring osilatör yapısı olan simetrik yüklü osilatör (Maneatis yük) çevrimde etkili bir şekilde kullanabilmek amacıyla modifiye edilmiştir. Osilatörün üretim ve sıcaklık değişimlerini tolere edebilmesi için kazancının yüksek olması gerekir. Bu da sistemin harici gürültü kaynaklarına (besleme, taban gürültüsü gibi) olan duyarlılığını oldukça arttırmaktadır. Bu nedenle osilatörü otomatik olarak kalibre eden bir teknik geliştirilmiştir. Değişik faz kilitlemeli çevrimlere uygulanabilen teknik için osilatörün akım kontollü olması gerekmektedir. Frekans kitlenmesi gerçekleştikten sonra osilatörün akımı bir analog-sayısal çevirici ile örneklenmekte ve asıl sistem bu nokta etrafında daha dar bir bölgede çalışmaktadır. Ayrıca, sıcaklıktan kaynaklanabilecek değişimler de analog-sayısal dönüştürücünün refererans akımı üzerinden kompanze edilmektedir. Son olarak, tasarlanan sistemin simülasyon sonuçları verilmiştir. 0.18um CMOS teknolojisinde tasarlanan devre 5Gb/s data hızlarında çalışabilmektedir.

In this work, bang-bang PLL structures, which are extensively used in clock and data recovery systems, are investigated. Behavioral models of loop elements are created to do faster simulations in system level. This step is mandatory in bang-bang systems, which are hard to analyze with simple calculations. Some non-idealities of real circuit elements are inserted to these models. System level design issues of bang-bang PLL’s are discussed and the effect of data transition density to system specifications is mentioned. Transistor level implementations of loop elements are described. A popular delay cell with symmetric loads (Maneatis cell) is modified to be used effectively in a bang-bang loop. Gain of the VCO seems very large after initial design, which is required to cover the operating frequency range over process and temperature corners. Large gain makes the system prone to external noise sources such as noise from power supply, substrate etc. Therefore, an automatic calibration method is developed to reduce the VCO gain. This technique can be applied to any current controlled oscillators in various phase locked loops. After frequency lock is achieved, current of the oscillator is sampled by a current mode ADC and a narrower range is generated around that point. Additionally, frequency variation due to temperature is compensated through the specifically designed reference current of ADC. Finally, simulation results of CDR and calibration circuits are given. CDR is designed in 0.18um CMOS technology and can operate at 5Gb/s data rate.