The design and utilization of a delay-locked loop based clock generator

摘要

Tässä diplomityössä on esitetty korkean taajuuden kellogeneraattori joka perustuu viivelukitun silmukan topologiaan. Työ on osa Euroopan avaruusjärjestölle tehtyä tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa korkean kellotaajuuden analogia-digitaali (AD) -muunninmikropiiri. Toteutetun AD-muuntimen topologia on aikalomitettu rinnakkaisliukuhihna -tyyppinen, jossa muunnoksesta vastaavat 24 rinnakkaista liukuhihnayksikköä. Muuntimen nopeusvaatimukseksi asetettiin 2 GS/s näytteistysnopeus ja muunnoksen todelliseksi resoluutioksi 8 efektiivistä bittiä. Diplomityö käsittelee AD-muuntimen kellogeneraattorin suunnittelu- ja toteutusvaiheita sekä prosessoitujen mikropiirien mittauksia. Viivelukittuun silmukkaan perustuva kellogeneraattori tuottaa 24 tasavälein viivästettyä 78 MHz:n kellosignaalia AD-muuntimen rinnakkaisliukuhihnoille. Suunnittelussa on kiinnitetty erityistä huomiota kellosignaalien ajoitusjitterin sekä viivevirheiden minimointiin. Työn alkuosa käsittelee pääosin kellogeneraattorin suunnitteluun sekä toteutukseen liittyviä seikkoja. Lisäksi työssä on esitetty lyhyt katsaus AD-muunninten topologioista ja näihin vaikuttavista näytteistysilmiöistä. Työn loppuosassa tarkastellaan kellogeneraattoripiirin viimeisimmän version mittauksia sekä viiveenkalibrointia. Piirin lopulliset mittaustulokset määrittävät kellosignaaleiden ajoitusjitteriksi alle 1 ps ja maksimi viivevirheeksi noin 43 ps, joka on kalibroitavissa pois 0,5 ps tarkkuudella 8-bittisellä kalibrointilohkolla. Koska kellosignaalin virheitä ei aluksi kyetty määrittämään suoraan AD-muuntimen ulostulospektristä, jouduttiin signaalit mittaamaan testilevyiltä. Mittausjärjestelmän mitattavaan signaaliin lisäämän kohinan sekä muiden virheiden vuoksi voidaankin päätellä, että todelliset 24 kellosignaalia jotka kytkeytyvät AD-muuntimen rinnakkaisliukuhihnoille, ovat mitattuja testisignaaleja parempilaatuiset. Mikropiiri on toteutettu Austria Microsystemsin (AMS) 0,35 μm:n SiGe BiCMOS-prosessiteknologialla, mutta kellogeneraattorilohkossa on käytetty ainoastaan CMOS-teknologiaa.