KR101913851B1 - Clock synchronization oscillators system by using clock bus line - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 클럭 버스 라인이라는 새로운 타입의 버스 라인을 도입하여 복수 개의 발진기의 클럭 동기화를 수행할 수 있는 발진기 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은, 제 1 클럭 신호를 생성하는 제 1 오실레이터, 제 2 클럭 신호를 생성하는 제 2 오실레이터, 및 상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 복수 개의 반전 증폭기의 2차원 또는 3차원의 프랙탈 구조(fractal structure)로 구성되며, 상기 제 1 오실레이터 상의 제 1 노드와, 상기 특정 노드에 대응되는 제 2 오실레이터 상의 제 2 노드를 연결하는 클럭 버스 라인(Clock Bus line)을 포함하는, 발진기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an oscillator system capable of introducing a new type of bus line called a clock bus line to perform clock synchronization of a plurality of oscillators. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having a first oscillator for generating a first clock signal, a second oscillator for generating a second clock signal, and a first and a second oscillator, and a clock bus line connecting the first node on the first oscillator and the second node on the second oscillator corresponding to the specific node, the oscillator system comprising: will be.
Description
본 발명은 클럭 버스 라인이라는 새로운 타입의 버스 라인을 이용하여 두 개 이상의 발진기에서 생성되는 신호의 주파수와 위상을 정확하게 동기화시킬 수 있는 발진기 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an oscillator system capable of accurately synchronizing the frequency and phase of signals generated by two or more oscillators using a new type of bus line called a clock bus line.
오늘날 SoC(System on Chip)설계기술의 발달로 시스템을 구성하는 집적회로의 클럭 신호는 대다수 GHz급이며, 동작속도는 계속 증가되고 있다. 이러한 초고속 클럭신호의 생성과 분배(Ultra High-Speed Clock Generation and Distribution)는 집적회로 설계에 있어 매우 중요한 기술사항이다.With the development of System on Chip (SoC) design technology today, the clock signals of integrated circuits constituting the system are mostly GHz, and the operating speed is continuously increasing. Ultra high-speed clock generation and distribution is a very important technology in integrated circuit design.
그러므로 SoC 기술의 발달로 초고속으로 작동되는 2개 또는 다수개의 칩에서의 동기화는 매우 중요한 기술요구사항이다. 환경적요인으로 mV 단위의 미세하게 상이한 차이를 가지는 전압이 발생되어 각 칩에 공급하게 된다면, 클럭 신호 생성과 분배에 문제를 야기할 수 있다. 이는 각 칩의 클럭 신호 비동기화로 문제로 이어져 시스템의 장애율을 높이는 근본적인 원인을 제공할 수 있다.Therefore, synchronization in two or multiple chips operating at very high speeds with the development of SoC technology is a very important technical requirement. If an environmentally sensitive voltage with a slightly different mV unit is generated and supplied to each chip, it may cause problems in clock signal generation and distribution. This can lead to problems due to asynchronization of the clock signal of each chip, which can provide a fundamental cause of increasing the failure rate of the system.
만약 클럭 스큐(Clock Skew)가 발생되면 클럭 신호를 필요로 하는 시스템의 동작에 오류가 발생할 수 있다. 현재에는 발생된 클럭 신호의 위상차를 검출하고 회로의 동기화 문제를 해결하기 위한 방안으로 PLL(Phase Locked Loop)회로 사용을 선호하고 있다. 하지만 PLL회로는 구조가 복잡하여 배선면적에 의한 칩 사이즈가 커지는 부담을 가지고 있다. If a clock skew occurs, a system operation that requires a clock signal may fail. Currently, it is preferred to use PLL (Phase Locked Loop) circuit to detect the phase difference of the generated clock signal and to solve the synchronization problem of the circuit. However, the PLL circuit is complicated in structure and has a burden of increasing the chip size due to the wiring area.
이에 따라 추가되는 회로없이 간단한 방법으로 전체적인 동기화를 이룰 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
한편, 이와 관련된 선행 기술로는 공개특허공보 제10-2004-0088029호(상이한 모드의 클럭 스큐를 선택적으로 정정하기 위한 위상 동기 루프 회로)가 있다. Accordingly, there is a need for a technique for achieving overall synchronization by a simple method without additional circuitry.
On the other hand, JP-A-10-2004-0088029 (a phase locked loop circuit for selectively correcting a clock skew in a different mode) is known as a prior art related thereto.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 칩 사이즈의 변화를 최소화하면서도 클럭 스큐와 비동기 동작에 의한 오류를 최대한 줄이는 발진기 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is directed to solving the above-mentioned problems and other problems. Another object of the present invention is to provide an oscillator system that minimizes errors caused by clock skew and asynchronous operation while minimizing a change in chip size.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, unless further departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제 1 클럭 신호(Clock signal)를 생성하는 제 1 오실레이터; 제 2 클럭 신호를 생성하는 제 2 오실레이터; 및 상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 복수 개의 반전 증폭기의 2차원 또는 3차원의 프랙탈 구조(fractal structure)로 구성되며, 상기 제 1 오실레이터 상의 제 1 노드와, 상기 특정 노드에 대응되는 제 2 오실레이터 상의 제 2 노드를 연결하는 클럭 버스 라인(Clock Bus line)을 포함하는, 발진기 시스템를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an oscillator comprising: a first oscillator for generating a first clock signal; A second oscillator for generating a second clock signal; And the first and second oscillators are comprised of a two-dimensional or three-dimensional fractal structure of a plurality of inverting amplifiers, wherein a first node on the first oscillator and a second oscillator on the second oscillator corresponding to the particular node And a clock bus line connecting the second node.
상기 프랙탈 구조는 반도체 칩상에 서로 120°의 위상차를 갖도록 세 개의 노드를 포함하여 이루어진 환상발진기 형태의 구조를 기본 단위(unit)으로 할 수 있다.The fractal structure may have a structure of a ring-shaped oscillator structure including three nodes so as to have a phase difference of 120 DEG with respect to each other on a semiconductor chip as a basic unit.
이때 상기 기본 단위의 상기 세 개의 노드는 제 1 내지 제 3 반전 증폭기에 의해 삼각형 형태를 형성될 수 있다.At this time, the three nodes of the basic unit may be formed into a triangular shape by the first to third inverting amplifiers.
그리고, 상기 세 개의 노드는, 상기 제 1 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 3 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 1 노드, 상기 제 2 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 1 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 2 노드, 및 상기 제 3 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 2 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 3 노드로 구성될 수 있다.The three nodes include a first node formed by connecting an input terminal of the first inverting amplifier and an output terminal of the third inverting amplifier, and an input terminal of the second inverting amplifier and an output terminal of the first inverting amplifier are connected And a third node formed by connecting an input terminal of the third inverting amplifier and an output terminal of the second inverting amplifier.
또한 상기 프랙탈 구조는, 세 개의 노드가 삼각형 형태로 형성되는 복수 개의 기본 단위가 2차원 또는 3차원으로 반복적으로 연결될 수 있다.Also, in the fractal structure, a plurality of basic units in which three nodes are formed in a triangular shape may be repeatedly connected in a two-dimensional or three-dimensional manner.
상기 프랙탈 구조에 있어서 기본 단위의 개수는, 첫째항이 1이고 공차가 1인 등차수열의 합으로 형성 가능하다.In the fractal structure, the number of basic units can be formed by a sum of an odd number sequence having a first term of 1 and a tolerance of 1.
구체적으로 상기 기본 단위의 개수는, 이고, n은 정수일 수 있다.Specifically, the number of the basic units is, And n may be an integer.
상기 프랙탈 구조는, 제 1 내지 제 3 기본 단위를 포함하고, 상기 제 1 기본 단위의 노드와 상기 제 2 기본 단위의 노드가 연결되어 제 4 노드를 형성하고, 상기 제 2 기본 단위의 노드와 상기 제 3 기본 단위의 노드가 연결되어 제 5 노드를 형성하며, 상기 제 3 기본 단위의 노드와 상기 제 1 기본 단위의 노드가 연결되어 제 6 노드를 형성할 수 있다.Wherein the fractal structure includes first to third basic units, a node of the first basic unit and a node of the second basic unit are connected to form a fourth node, The nodes of the third basic unit are connected to form the fifth node, and the node of the third basic unit and the node of the first basic unit are connected to form the sixth node.
상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 동일한 주파수 및 동일한 위상을 가질 수 있다.The first and second oscillators may have the same frequency and the same phase.
본 발명에 따른 발진기 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect of the oscillator system according to the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다수의 칩 상에서 발생되는 클럭 신호의 위상을 동기화시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, there is an advantage that the phase of a clock signal generated on a plurality of chips can be synchronized.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 링오실레이터 회로를 이용하여 동위상을 클럭라인으로 단순 연결을 해줌으로써, 시스템 안에 다수개의 칩에서 발생되는 클럭 신호들이 칩간 전원전압의 차이에 따라 갖게 되는 클럭 스큐와 비동기 동작에 의한 오류를 최대한 줄일 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one embodiment of the present invention, the ring oscillator circuit is used to connect the same phase to the clock line, so that the clock signals generated in the plurality of chips in the system are supplied Clock skew and asynchronous operation can be minimized.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다. Further scope of applicability of the present invention will become apparent from the following detailed description. It should be understood, however, that the detailed description and specific examples, such as the preferred embodiments of the invention, are given by way of illustration only, since various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터의 프랙탈 구조(100)를 형성하기 위하여 기본 유닛(101)이 배치되는 개수 및 방식을 도시하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 제 1 및 제 2 링오실레이터(301-1, 301-2)의 클럭 신호를 동기화하기 위한 개념도를 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 링오실레이터(301-1, 301-2)에 클럭 버스 라인이 없을 경우의 클럭 신호를 도시하는 도면이다.
도 7은 상기 도 6에서 발생된 클럭 스큐를 확대한 도면이다.
도 8은 클럭 버스 라인이 없는 경우 전압변동에 따른 측정된 클럭 스큐를 측정한 결과를 나타내는 표이다.
도 9는 클럭 버스 라인으로 연결한 후 전압변동에 따른 측정된 클럭 스큐를 측정한 결과를 나타내는 표이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터를 CMOS로 레이아웃한 이미지를 도시한다.1 is a diagram showing a structure of a ring oscillator according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the number and the manner in which the
3 and 4 are diagrams showing a conceptual diagram for synchronizing the clock signals of the first and second ring oscillators 301-1 and 301-2, according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 5 and 6 are diagrams showing clock signals in the absence of clock bus lines in the ring oscillators 301-1 and 301-2, respectively, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged view of the clock skew generated in FIG.
8 is a table showing a result of measuring a measured clock skew according to a voltage variation when there is no clock bus line.
9 is a table showing a result of measurement of a measured clock skew in accordance with a voltage variation after being connected to a clock bus line.
10 shows an image in which a ring oscillator is laid out in a CMOS according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals are used to designate identical or similar elements, and redundant description thereof will be omitted. The suffix "module" and " part "for the components used in the following description are given or mixed in consideration of ease of specification, and do not have their own meaning or role. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be blurred. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, and alternatives.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinals, such as first, second, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
최근, 반도체 제조 기술의 발달로 인해 반도체 칩의 집적도가 증가되고 있다. 그 결과, 단일 반도체 칩상에 다양한 기능을 수행하는 회로들을 구현하는 것이 가능하게 되었다. 과거에는 디지털 블록과 아날로그 블록이 구분되어 제작되었으나, 근래에는 시스템-온-칩(systemon-a chip, SOC)과 같이 하나의 시스템이 단일 반도체 칩상에서 구현될 수 있게 되었다. 한편, 단일 반도체 칩상에 하나의 시스템을 구현하기 위해서는 수백만개 이상의 게이트들이 탑재되어야 한다. 그러나, 이렇게 많은 수의 게이트들이 단일 반도체 칩상에 탑재될 때, 각 게이트들간의 라우팅(routing) 길이가 서로 다르게 될 수 있다. 따라서, 라우팅이 완료된 후 발생되는 각 게이트들간 클럭 신호의 위상차(즉, 신호 지연)가 심각한 문제로 대두될 수 있다.In recent years, the degree of integration of semiconductor chips has been increasing due to the development of semiconductor manufacturing technology. As a result, it becomes possible to implement circuits that perform various functions on a single semiconductor chip. In the past, digital blocks and analog blocks have been produced separately. Recently, a system such as a system-on-chip (SOC) can be implemented on a single semiconductor chip. On the other hand, in order to implement one system on a single semiconductor chip, more than several million gates must be mounted. However, when a large number of gates are mounted on a single semiconductor chip, the routing lengths between the gates may be different from each other. Therefore, the phase difference (i.e., signal delay) of the clock signals between gates generated after the routing is completed can become a serious problem.
이러한 게이트들간 클럭 신호의 위상차는 전체 시스템의 기능 에러(function error)를 발생시키는 주요 원인으로 작용하며, 회로 설계 단계에서는 예측할 수 없는 파라미터이다.The phase difference of the clock signal between these gates acts as a main cause of the function error of the whole system and is an unpredictable parameter in the circuit design stage.
따라서, 게이트들간의 위상차에 따른 시스템의 기능 에러는 회로 설계 단계에서는 발견되지 않고, 라우팅이 완료된 후에 수행되는 포스트 검증(post verification) 단계에서 발견되는 경우가 많이 있다. 포스트 검증 단계에서 이러한 기능 에러가 발생될 때, 회로를 재설계해야 하므로 설계 기간이 증가되는 문제점이 있다.Therefore, a functional error of the system due to the phase difference between the gates is not found in the circuit design stage, but is often found in a post verification step performed after the routing is completed. When such a functional error occurs in the post verification step, there is a problem that the design period is increased because the circuit must be redesigned.
현재에는 발생된 클럭 신호의 위상차를 검출하고 회로의 동기화 문제를 해결하기 위한 방안으로 PLL(Phase Locked Loop)회로 사용을 선호하고 있다. 하지만 PLL회로는 구조가 복잡하여 배선면적에 의한 칩 사이즈가 커지는 부담을 가지고 있다.Currently, it is preferred to use PLL (Phase Locked Loop) circuit to detect the phase difference of the generated clock signal and to solve the synchronization problem of the circuit. However, the PLL circuit is complicated in structure and has a burden of increasing the chip size due to the wiring area.
본 발명에서는 동위상 클럭 라인을 이용한 멀티칩 시스템 클럭 신호분배 및 동기화 기법 및 이를 적용한 시스템을 제안한다. 제안된 기법은 링오실레이터 회로를 이용하여 동위상을 클럭 라인(클럭 버스 라인, clock bus line)으로 연결을 해줌으로써, 시스템 안에 다수개의 칩에서 발생되는 클럭 신호들이 칩간 전원전압의 차이에 따라 갖게 되는 클럭 스큐와 비동기 동작에 의한 오류를 최대한 줄이고자 한다. CMOS 링오실레이터는 발진시 모든 노드가 동일한 주파수로 동작된다. 이 구조는 부분적인 전압과 온도 차이에도 네트워크 전체의 클럭 신호 동기화를 실현시키고, 별도로 설계된 회로의 추가없이 인버터 개수를 증가시킴으로써, 주파수 변조(Frequency-shift keying)에도 매우 효과적이다. 또한, 본 발명의 실시예에서와 같이, 동일한 구조로 설계된 서로 다른 다수개의 링오실레이터의 동위상을 연결한다면 전체 칩내의 링오실레이터도 동일한 주파수를 필연적으로 갖게 된다.In the present invention, a multi-chip system clock signal distribution and synchronization method using an in-phase clock line and a system using the same are proposed. The proposed scheme uses the ring oscillator circuit to connect the same phase to the clock line (clock bus line), so that the clock signals generated from the multiple chips in the system are held according to the difference of the power supply voltage between chips We want to minimize errors caused by clock skew and asynchronous operation. In a CMOS ring oscillator, all nodes operate at the same frequency when oscillating. This structure is very effective for frequency-shift keying by realizing network-wide clock signal synchronization even with partial voltage and temperature differences, and by increasing the number of inverters without the addition of a separately designed circuit. Also, as in the embodiment of the present invention, ring oscillators in the entire chip necessarily have the same frequency if a plurality of different ring oscillators designed with the same structure are connected in phase.
본 발명의 일실시예에 따른 발진기 시스템은, 제 1 클럭 신호(Clock signal)를 생성하는 제 1 오실레이터; 제 2 클럭 신호를 생성하는 제 2 오실레이터; 및 상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 복수 개의 반전 증폭기의 2차원 또는 3차원의 프랙탈 구조(100, fractal structure)로 구성되며, 상기 제 1 오실레이터 상의 제 1 노드와, 상기 특정 노드에 대응되는 제 2 오실레이터 상의 제 2 노드를 연결하는 클럭 버스 라인(Clock Bus line)을 포함할 수 있다. 이때 상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 링오실레이터로 구비되도록 제안한다.An oscillator system according to an embodiment of the present invention includes: a first oscillator for generating a first clock signal; A second oscillator for generating a second clock signal; And the first and second oscillators comprise a two-dimensional or three-dimensional fractal structure (100) of a plurality of inverting amplifiers, wherein the first node on the first oscillator and the second node on the first oscillator And a clock bus line connecting the second node on the oscillator. It is proposed that the first and second oscillators are provided as ring oscillators.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터의 구조를 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing a structure of a ring oscillator according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터 구조는 홀수개의 인버터(Inverter, 또는 반전 증폭기, inverting amplifier)가 직렬로 연결된 형태이다. 가장 단순하게 3개의 인버터로 구성되는 링오실레이터는 120°의 위상차를 갖지만 3개의 인버터를 통과하게 되면 어떠한 지점이든 동일한 주파수와 위상을 갖게 된다. 이 구조에서 하나의 셀(Cell)은 3개의 인버터로 구성되며 n개의 피드팩 루프를 가지고 있다.The ring oscillator structure according to an embodiment of the present invention is an odd number of inverters (Inverters, or inverting amplifiers) connected in series. In the simplest case, a ring oscillator consisting of three inverters has a phase difference of 120 °, but when passing through three inverters, any point will have the same frequency and phase. In this structure, a cell consists of three inverters and has n feed-pack loops.
링오실레이터의 프랙탈 구조는 반도체 칩상에 서로 120°의 위상차를 갖도록 세 개의 노드(102-1 내지 102-3)를 포함하여 이루어진 환상발진기 형태의 구조를 기본 단위(101, unit)로 할 수 있다. 도시된 도면에서와 같이 상기 기본 단위(101)의 상기 세 개의 노드(102-1 내지 102-3)는 제 1 내지 제 3 반전 증폭기(103-1 내지 103-3)에 의해 삼각형 형태를 형성할 수 있다.The fractal structure of the ring oscillator may have a structure of a ring oscillator type structure including three nodes 102-1 to 102-3 so as to have a phase difference of 120 DEG with respect to each other on a semiconductor chip as a basic unit 101 (unit). As shown in the drawing, the three nodes 102-1 to 102-3 of the
구체적으로 상기 세 개의 노드(102-1 내지 102-3)는, 상기 제 1 반전 증폭기(103-1)의 입력단과 상기 제 3 반전 증폭기(103-3)의 출력단이 연결되어 형성하는 제 1 노드(102-1), 상기 제 2 반전 증폭기(103-2)의 입력단과 상기 제 1 반전 증폭기(103-1)의 출력단이 연결되어 형성하는 제 2 노드(102-2), 및 상기 제 3 반전 증폭기(103-3)의 입력단과 상기 제 2 반전 증폭기(103-2)의 출력단이 연결되어 형성하는 제 3 노드(102-3)로 구성될 수 있다.Specifically, the three nodes 102-1 to 102-3 are connected to the first node of the first inverting amplifier 103-1 and the output node of the third inverting amplifier 103-3, A second node 102-2 formed by connecting the input terminal of the second inverting amplifier 103-2 and the output terminal of the first inverting amplifier 103-1, And a third node 102-3 formed by connecting the input terminal of the amplifier 103-3 and the output terminal of the second inverting amplifier 103-2.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터의 프랙탈 구조(100)를 형성하기 위하여 기본 단위(101-1 내지 101-3)가 배치되는 개수 및 방식을 도시하는 도면이다.2 is a diagram showing the number and the manner in which the basic units 101-1 to 101-3 are arranged to form the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 프랙탈 구조(100)는, 세 개의 노드(102-1 내지 102-3)가 삼각형 형태로 형성되는 복수 개의 기본 단위(101)가 2차원 또는 3차원으로 반복적으로 연결될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
상기 프랙탈 구조(100)에 있어서 기본 단위(101)의 개수는, 첫째항이 1이고 공차가 1인 등차수열의 합으로 계산될 수 있다. 구체적으로 위 등차수열을 수식으로 표현하면 아래 수학식 1과 같다.In the
이때 n은 정수이다.Where n is an integer.
상기 프랙탈 구조에 대해서 보다 상세하게 살펴본다.The fractal structure will now be described in more detail.
상기 프랙탈 구조는, 제 1 내지 제 3 기본 단위(101-1 내지 101-3)를 포함하고, 상기 제 1 기본 단위(101-1)의 노드와 상기 제 2 기본 단위(101-2)의 노드가 연결되어 제 4 노드(102-4)를 형성하고, 상기 제 2 기본 단위(101-2)의 노드와 상기 제 3 기본 단위(101-3)의 노드가 연결되어 제 5 노드(102-5)를 형성하며, 상기 제 3 기본 단위(101-3)의 노드와 상기 제 1 기본 단위(101-1)의 노드가 연결되어 제 6 노드(102-6)를 형성할 수 있다.The fractal structure includes first to third basic units 101-1 to 101-3, and a node of the first basic unit 101-1 and a node of the second basic unit 101-2, And a node of the second basic unit 101-2 and a node of the third basic unit 101-3 are connected to form a fifth node 102-5 And a node of the third basic unit 101-3 and a node of the first basic unit 101-1 may be connected to form a sixth node 102-6.
본 발명에서는 상기 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 링오실레이터 복수 개의 클럭 신호를 동기화 하는 방법에 대해서 제안하고자 한다.In the present invention, a method of synchronizing a plurality of clock signals of the ring oscillator described above with reference to FIGS. 1 and 2 is proposed.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, 제 1 및 제 2 링오실레이터(301-1, 301-2)의 클럭 신호를 동기화하기 위한 개념도를 도시하는 도면이다. 3 and 4 are diagrams showing a conceptual diagram for synchronizing the clock signals of the first and second ring oscillators 301-1 and 301-2, according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에서는 제 1 및 제 2 링오실레이터(301-1, 301-2)를 연결하는 적어도 하나의 클럭 버스 라인을 구비할 수 있다.As shown in the drawing, at least one clock bus line connecting the first and second ring oscillators 301-1 and 301-2 may be provided.
보다 구체적으로는, 상기 제 1 링오실레이터(301-1) 상의 제 1 노드와, 상기 특정 노드에 대응되는 제 2 링오실레이터(301-2) 상의 제 2 노드를 연결하는 클럭 버스 라인(302-1 내지 302-3, Clock Bus line)을 포함할 수 있다.More specifically, a clock bus line 302-1 connecting a first node on the first ring oscillator 301-1 and a second node on the second ring oscillator 301-2 corresponding to the specific node, To 302-3, a clock bus line).
본 발명에서는 상기 클럭 버스 라인(302-1 내지 302-3)이 구비되는 노드의 위치에 대해서 더 제안한다.The present invention further proposes the positions of the nodes where the clock bus lines 302-1 to 302-3 are provided.
본 발명의 일실시예에서는 전체 프랙탈 구조의 삼각형 형상에서 꼭지점에 대응하는 세 개의 노드의 위치에 클럭 버스 라인(302-1 내지 302-3)을 구비하도록 제안한다.In one embodiment of the present invention, it is proposed to provide the clock bus lines 302-1 to 302-3 at the positions of three nodes corresponding to the vertices in the triangular shape of the entire fractal structure.
제 1 링오실레이터(301-1)의 전체 프랙탈 구조가 형성하는 삼각형 형상에서 꼭지점에 대응하는 제 1 내지 제 3 꼭지점 노드(401-1 내지 401-3)과 제 1 내지 제 3 꼭지점 노드(401-1 내지 401-3) 각각과 동위상 노드인 제 4 내지 제 6 꼭지점 노드(401-4 내지 401-6)를 연결시키는 것이다.The first to third vertex nodes 401-1 to 401-3 and the first to third vertex nodes 401-1 to 401-3 corresponding to the vertex in the triangular shape formed by the entire fractal structure of the first ring oscillator 301-1, 1 to 401-3 are connected to the fourth to sixth vertex nodes 401-4 to 401-6, which are in-phase nodes.
좀 더 상세하게 설명하면, 제 1 링오실레이터(301-1)의 제 1 꼭지점 노드(401-1)와 동위상인 제 2 링오실레이터(301-2)의 제 4 꼭지점 노드(401-4)를 제 1 클럭 버스 라인(302-1)으로 연결할 수 있다. 그리고, 제 1 링오실레이터(301-1)의 제 2 꼭지점 노드(401-2)와 동위상인 제 2 링오실레이터(301-2)의 제 5 꼭지점 노드(401-5)를 제 2 클럭 버스 라인(302-2)으로 연결할 수 있다. 마지막으로, 제 1 링오실레이터(301-1)의 제 3 꼭지점 노드(401-3)와 동위상인 제 2 링오실레이터(301-2)의 제 6 꼭지점 노드(401-6)를 제 3 클럭 버스 라인(302-3)으로 연결할 수 있다.More specifically, the fourth vertex node 401-4 of the second ring oscillator 301-2, which is in phase with the first vertex node 401-1 of the first ring oscillator 301-1, 1 clock bus line 302-1. The fifth vertex node 401-5 of the second ring oscillator 301-2, which is the same as the second vertex node 401-2 of the first ring oscillator 301-1, is connected to the second clock bus line 302-2. Finally, the sixth vertex node 401-6 of the second ring oscillator 301-2, which is in phase with the third vertex node 401-3 of the first ring oscillator 301-1, Lt; RTI ID = 0.0 > 302-3. ≪ / RTI >
도 4의 예시에서 각 링오실레이터(301-1, 301-2)는 30개의 반전 증폭기로 구성되며 서로 다른 두 개의 칩에 발진기로 사용된다. 3개의 클럭 버스 라인(CL)에 의하여 2개의 오실레이터 동위상 노드가 연결되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 시스템에서는 2개의 칩에 공급되는 전압의 차이가 근소하게 발생하더라도 3개의 연결에 의해 전체 오실레이터 네트워크는 동일한 주파수, 동일한 위상으로 발진하게 된다.In the example of FIG. 4, each of the ring oscillators 301-1 and 301-2 is composed of thirty inverting amplifiers and is used as an oscillator in two different chips. Two oscillator in-phase nodes are connected by three clock bus lines CL. In the system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 and FIG. 4, although the difference in voltage supplied to two chips slightly occurs, all the oscillator networks oscillate in the same frequency and phase by three connections.
이하에서는 상술한 본 발명의 실시예에 대한 실험 결과를 도시 및 설명한다.Hereinafter, experimental results of the embodiment of the present invention will be shown and described.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 각 링오실레이터(301-1, 301-2)에 클럭 버스 라인이 없을 경우의 클럭 신호를 도시하는 도면이다.FIGS. 5 and 6 are diagrams showing clock signals in the absence of clock bus lines in the ring oscillators 301-1 and 301-2, respectively, according to an embodiment of the present invention.
도 5는 각 링오실레이터(301-1, 301-2)에 동일 전압을 인가하였을 경우 클럭 신호를, 도 6은 각 링오실레이터(301-1, 301-2)에 인가되는 전압을 1% 차이가 나도록 공급하였을 때의 클럭 신호를 도시하는 도면이다. 도 5 및 도 6의 클럭 신호는 상기 도 4에서의 노드 13에서의 신호를 측정한 결과이다.5 shows a clock signal when the same voltage is applied to each of the ring oscillators 301-1 and 301-2, and FIG. 6 shows a case where the voltage applied to the ring oscillators 301-1 and 301-2 is 1% Fig. 2 is a diagram showing a clock signal when the clock signal is supplied. The clock signals of FIGS. 5 and 6 are the result of measuring the signal at the node 13 in FIG.
도 5에서와 같이 두 개의 칩 상에 개별적으로 존재하는 각 링오실레이터(301-1, 301-2)에 동일한 전압원이 제공된다면 동위상 동주파수가 발생(즉 위상차 없음)할 것이다. 이러한 경우에는 두 개의 칩이 클럭 라인으로 연결되어 있지 않더라도 중앙 노드 2개는 (도 4의 노드 13) 정확히 동위상 상태가 됨을 알 수 있다.If the same voltage source is provided to each of the ring oscillators 301-1 and 301-2, which are individually present on two chips as in Fig. 5, the same phase-to-phase frequency will be generated (i.e., no phase difference). In this case, it can be seen that even though the two chips are not connected to the clock line, the two central nodes (node 13 in FIG. 4) are in exactly the same phase.
하지만, 문제는 각 칩에 공급되는 전압에 차이가 발생하는 경우이다. 도 6은 제 1 칩에 존재하는 제 1 링오실레이터(301-1)의 인가전압을 3V로 고정한 상태에서 제 2 칩에 존재하는 제 2 링오실레이터(301-2)에 1% 증가한 전압을 공급했을 경우의 시뮬레이션 출력파형을 나타낸다. 서로 다른 두 개의 칩에서 전압변동 범위가 클수록 클럭 스큐 범위는 증가할 것이다. 8ns에서 10ns의 구간에서 두 클럭 신호간에 위상차가 발생된 것을 알 수 있다.However, the problem is that there is a difference in the voltage supplied to each chip. 6 shows a state in which a voltage increased by 1% is supplied to the second ring oscillator 301-2 existing in the second chip while the applied voltage of the first ring oscillator 301-1 existing in the first chip is fixed at 3V Lt; / RTI > represents the simulation output waveform in the case of FIG. The larger the voltage swing range on the two different chips, the greater the clock skew range. It can be seen that a phase difference occurs between the two clock signals in the interval of 8 ns to 10 ns.
도 7은 상기 도 6에서 발생된 클럭 스큐를 확대한 도면이다.FIG. 7 is an enlarged view of the clock skew generated in FIG.
제 1 링오실레이터(301-1)에서 발생한 제 1 클럭 신호(701-1)와 제 2 링오실레이터(301-2)에서 발생한 제 2 클럭 신호(701-2)의 위상차이가 나는 것을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the phase difference between the first clock signal 701-1 generated in the first ring oscillator 301-1 and the second clock signal 701-2 generated in the second ring oscillator 301-2 occurs .
도 8은 클럭 버스 라인이 없는 경우 전압변동에 따른 측정된 클럭 스큐를 측정한 결과를 나타내는 표이다. 도 9는 클럭 버스 라인으로 연결한 후 전압변동에 따른 측정된 클럭 스큐를 측정한 결과를 나타내는 표이다.8 is a table showing a result of measuring a measured clock skew according to a voltage variation when there is no clock bus line. 9 is a table showing a result of measurement of a measured clock skew in accordance with a voltage variation after being connected to a clock bus line.
도 8의 표는 동위상 노드를 클럭 버스 라인으로 연결하지 않은 상태에서 제공되는 전압에 변동률을 -2%에서 +2%까지 적용하여 측정한 결과를 나타낸다. 도 8에 도시된 바를 참조하면 두 개의 칩에 최대 2%의 전압차이가 있을 경우 143ps의 대칭적 위상차(주기대비 : 22.04%)가 발생함을 확인할 수 있다.The table of FIG. 8 shows the results of applying the variation rate from -2% to + 2% to the voltage provided when the in-phase node is not connected to the clock bus line. Referring to FIG. 8, it can be seen that a symmetrical phase difference of 143 ps (22.04% in a cycle) occurs when there is a maximum 2% voltage difference between two chips.
도 9는 본 발명의 상술한 실시예에 따라서, 두 개의 칩 동위상 지점을 상술한 세 개의 클럭 라인(302-1 내지 302-3)으로 연결한 상태에서 측정한 값이다.9 is a value measured in a state where two chip in-phase points are connected to the three clock lines 302-1 to 302-3 described above according to the above-described embodiment of the present invention.
본 발명에서 제안된 방법으로 세 개의 동일한 위상 지점을 클럭 버스 라인(302-1 내지 302-3)으로 연결하면 도 9에 도시된 바와 같이 19.51ps의 대칭적 위상차(주기대비 : 2.98%)가 발생된다. 따라서 스큐가 현저하게 줄어드는 것을 볼 수 있다.When three identical phase points are connected to the clock bus lines 302-1 to 302-3 by the method proposed in the present invention, a symmetrical phase difference of 19.51 ps (2.98% as a cycle) occurs as shown in FIG. 9 do. Therefore, skew is significantly reduced.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 링오실레이터를 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)로 레이아웃한 이미지를 도시한다.FIG. 10 shows an image in which a ring oscillator according to an embodiment of the present invention is laid out in a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
이상으로 본 발명에 따른 발진기 시스템의 실시예를 설시하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정/제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.Although the embodiments of the oscillator system according to the present invention have been described above, the present invention is described as at least one embodiment, and the technical idea, structure and operation of the oscillator system of the present invention are not limited thereto. Are not to be limited / limited by the description with reference to the drawings or the drawings. It will also be appreciated by those skilled in the art that the concepts and embodiments of the invention set forth herein may be used as a basis for modifying or designing other structures for carrying out the same purposes of the present invention It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims and their equivalents. And various changes, substitutions, and alterations can be made without departing from the scope of the invention.
Claims (15)
제 2 클럭 신호를 생성하는 제 2 오실레이터; 및
상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 서로 동일한 구조로 구성되되, 복수 개의 반전 증폭기의 2차원 또는 3차원의 프랙탈 구조(fractal structure)로 구성되며,
상기 제 1 오실레이터 상의 제 1 노드와, 상기 제 1 노드와 동위상인 제 2 오실레이터 상의 제 2 노드를 연결하는 클럭 버스 라인(Clock Bus line)을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 링오실레이터는 각각 서로 다른 2개의 칩의 발진기로 각각 사용되며,
상기 클럭 버스 라인은,
상기 제 1오실레이터의 제 1 내지 제 3 꼭지점 노드와, 상기 제 1내지 제 3꼭지점 노드와 각각 동위상인 상기 제 2오실레이터의 제 4 내지 제 6 꼭지점 노드를 각각 연결하는 제 1 내지 제 3 클럭 버스 라인을 포함함으로써, 상기 2개의 칩에 공급되는 전압의 차이가 발생하더라도 상기 3개의 클럭 버스 라인의 연결에 의해 상기 제1 오실레이터와 상기 제 2 오실레이터가 동일한 주파수 및 위상으로 발진하도록 동기화하는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.A first oscillator for generating a first clock signal;
A second oscillator for generating a second clock signal; And
The first and second oscillators are configured to have the same structure, and each of the first and second oscillators is composed of a two-dimensional or three-dimensional fractal structure of a plurality of inverting amplifiers,
And a clock bus line connecting a first node on the first oscillator and a second node on a second oscillator in phase with the first node,
The first and second ring oscillators are respectively used as oscillators of two different chips,
The clock bus line includes:
First to third vertex nodes of the first oscillator and third to sixth vertex nodes of the first oscillator and third to sixth vertex nodes of the second oscillator, So that the first oscillator and the second oscillator are synchronized to oscillate at the same frequency and phase by the connection of the three clock bus lines even if there is a difference in voltage supplied to the two chips ,
Oscillator system.
상기 프랙탈 구조는 반도체 칩상에 서로 120°의 위상차를 갖도록 세 개의 노드를 포함하여 이루어진 환상발진기 형태의 구조를 기본 단위(unit)으로 하는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the fractal structure has a structure in the form of a ring-shaped oscillator including three nodes so as to have a phase difference of 120 [deg.] On the semiconductor chip as a basic unit.
Oscillator system.
상기 기본 단위의 상기 세 개의 노드는 제 1 내지 제 3 반전 증폭기에 의해 삼각형 형태를 형성되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein the three nodes of the basic unit are formed in a triangular shape by the first to third inverting amplifiers.
Oscillator system.
상기 세 개의 노드는,
상기 제 1 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 3 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 1 노드,
상기 제 2 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 1 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 2 노드, 및
상기 제 3 반전 증폭기의 입력단과 상기 제 2 반전 증폭기의 출력단이 연결되어 형성하는 제 3 노드로 구성되는,
발진기 시스템.The method of claim 3,
Wherein the three nodes,
A first node formed by connecting an input terminal of the first inverting amplifier and an output terminal of the third inverting amplifier,
A second node formed by connecting an input terminal of the second inverting amplifier and an output terminal of the first inverting amplifier,
And a third node formed by connecting an input terminal of the third inverting amplifier and an output terminal of the second inverting amplifier.
Oscillator system.
상기 프랙탈 구조는,
세 개의 노드가 삼각형 형태로 형성되는 복수 개의 기본 단위가 2차원 또는 3차원으로 반복적으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.3. The method of claim 2,
The fractal structure,
Wherein a plurality of basic units in which three nodes are formed in a triangular shape are repeatedly connected two-dimensionally or three-dimensionally,
Oscillator system.
상기 프랙탈 구조에 있어서 기본 단위의 개수는,
첫째항이 1이고 공차가 1인 등차수열의 합으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.6. The method of claim 5,
In the fractal structure,
A first term is 1, and a tolerance is 1,
Oscillator system.
상기 기본 단위의 개수는,
이고, n은 정수인 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the number of basic units
And n is an integer.
Oscillator system.
제 1 내지 제 3 기본 단위를 포함하고,
상기 제 1 기본 단위의 노드와 상기 제 2 기본 단위의 노드가 연결되어 제 4 노드를 형성하고,
상기 제 2 기본 단위의 노드와 상기 제 3 기본 단위의 노드가 연결되어 제 5 노드를 형성하며,
상기 제 3 기본 단위의 노드와 상기 제 1 기본 단위의 노드가 연결되어 제 6 노드를 형성하는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.6. The method of claim 5,
A second basic unit including first to third basic units,
A node of the first basic unit and a node of the second basic unit are connected to form a fourth node,
A node of the second basic unit and a node of the third basic unit are connected to form a fifth node,
Wherein a node of the third basic unit and a node of the first basic unit are connected to form a sixth node.
Oscillator system.
상기 제 1 및 제 2 오실레이터는 동일한 주파수 및 동일한 위상을 갖는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the first and second oscillators have the same frequency and the same phase.
Oscillator system.
상기 프랙탈 구조는 전체로서 삼각형 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Characterized in that the fractal structure forms a triangular shape as a whole.
Oscillator system.
상기 프랙탈 구조는 형성하는 제 1 및 제 2 링오실레이터는 각각 30개의 반전 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.11. The method of claim 10,
Characterized in that the first and second ring oscillators forming the fractal structure are each composed of 30 inverting amplifiers.
Oscillator system.
상기 서로 다른 2개의 칩은 적어도 세 개의 클럭 버스 라인에 의해서 연결되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Characterized in that the two different chips are connected by at least three clock bus lines.
Oscillator system.
상기 제 1 및 제 2 링오실레이터는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)로 레이아웃 되는 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Characterized in that the first and second ring oscillators are laid out in CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
Oscillator system.
상기 제 1 및 제 2 링오실레이터의 구조는 홀수 개의 반전 증폭기가 직렬로 연결된 형태인 것을 특징으로 하는,
발진기 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the structure of the first and second ring oscillators is an odd number of inverting amplifiers connected in series.
Oscillator system.
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