[논문]디지털 능동형 가변 축전기를 사용한 적응형 이퀄라이저

이원영

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.11.1053

초록
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본 논문은 디지털 능동형 가변 축전기를 사용한 적응형 이퀄라이저를 제안하고 있다. Equalizing amplifier는 주 증폭기와 source degeneration RC 필터로 구성되어 있으며, RC필터를 디지털 능동형 가변 축전기로 구현함으로써 면적 효율을 높이고 선형적인 손실 보상 영역을 확보했다. 능동형 가변 축전기는 miller effect에 의한 임피던스 증가 효과를 사용하였으며, 증폭기 이득 조정을 통해 capacitance의 가변성을 가질 수 있도록 하였다. 시뮬레이션 결과, 능동형 축전기의 선형적 가변 특성을 통해 입력 데이터의 고주파 손실을 보상하여 2Gb/s 전송속도에 대해 0.31 UI의 입력 eye 너비를 0.64 UI로 약 2배 증가시켰다. 적응형 이퀄라이저는 $0.13-{\mu}m\;CMOS$ 공정 값을 사용하여 설계 되었으며, 0.412 mm2 의 레이아웃 면적을 사용한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an adaptive equalizer with the digitally controlled active variable capacitor. An equalizing amplifier consists of a main amplifier and a source degeneration RC filter which is implemented using the digitally controlled active variable capacitor for area efficiency and linear los...

This paper proposes an adaptive equalizer with the digitally controlled active variable capacitor. An equalizing amplifier consists of a main amplifier and a source degeneration RC filter which is implemented using the digitally controlled active variable capacitor for area efficiency and linear loss compensation. The active capacitor changes its capacitance by the amplifier gain control, which is based on miller effect. In the simulated results, the proposed equalizer compensates the high frequency loss and extends the data eye width from 0.31 UI to 0.64 UI.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 디지털 방식으로 조정 가능한 능동형 가변 축전기를 사용한 적응형 이퀄라이저 회로를 제안하고 있다. 고주파 대역 이득을 증폭시키는 역할을 하는 능동형 가변 축전기는 MIM capacitor와 부 증폭기로 구성되어 있으며, 부 증폭기와 MIM capacitor는 피드백 연결이 되어있으며 이는 miller effect에 의한 capacitance 증가 효과를 얻을 수 있게 하였다.
본 논문은 면적 효율을 높이고 선형적인 손실 보상 영역을 가진 능동형 이퀄라이저를 제안하고 있다. 선형적이면서 면적 효율인 높은 capacitor를 구현하기 위해서는 밀러 효과를 사용한 능동형 capacitor를 사용하였으며, 이를 디지털 방식으로 조절함으로써 varactor와 같은 특성을 가질 수 있도록 하였다.

제안 방법

그림 3은 equalizing filter의 소신호 모델 등가회로를 보여주고 있다. Equalizing filter는 양/음 방향 회로가 서로 같은 차동증폭기 구조이므로 회로 구조를 절반만 모델링하여 사용하였다. 개방루프이득을 도출하기 위해 C_s가 없다고 가정하면 V_out/V_in 또는 V_outb/V_inb는 아래와 같다.
본 연구에서는 면적 효율을 높이기 위해 능동소자만을 사용하여 기준 전압 생성회로 설계하였다. 기준 전압 생성회로의 출력 전압이 온도에 둔감한 특성을 갖도록 만들기 위해 능동소자인 MOSFET의 V_GS, V_TH 특성과 BJT로부터 얻을 수 있는 열전압 (V_T)의 특성을 사용하였다. 출력 전압 V_out은 아래와 같이 표현 된다.
그러나 수동소자는 능동소자 대비 공정 산포에 취약하며, 필요 면적이 큰 단점이 있다. 본 연구에서는 면적 효율을 높이기 위해 능동소자만을 사용하여 기준 전압 생성회로 설계하였다. 기준 전압 생성회로의 출력 전압이 온도에 둔감한 특성을 갖도록 만들기 위해 능동소자인 MOSFET의 V_GS, V_TH 특성과 BJT로부터 얻을 수 있는 열전압 (V_T)의 특성을 사용하였다.
본 논문은 면적 효율을 높이고 선형적인 손실 보상 영역을 가진 능동형 이퀄라이저를 제안하고 있다. 선형적이면서 면적 효율인 높은 capacitor를 구현하기 위해서는 밀러 효과를 사용한 능동형 capacitor를 사용하였으며, 이를 디지털 방식으로 조절함으로써 varactor와 같은 특성을 가질 수 있도록 하였다. 이를 통해 넓은 주파수 영역에 대해 손실 보상을 가능하게 하였다.

성능/효과

그림 7는 capacitance 조정 역할을 하는 2단 부 증폭기의 전압이득 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 1 GHz 주파수에 대해서 5 비트 디지털 코드를 변화함에 따라 최소 4.36 dB, 최대 14.45 dB의 전압 이득을 얻었다. 전체적으로 선형적인 특성을 보여주고 있으며, 이러한 특성을 통해 80 fF의 수동형 축전기를 사용할 경우 capacitance를 최소 212 fF에서 최대 502.
고주파 대역 이득을 증폭시키는 역할을 하는 능동형 가변 축전기는 MIM capacitor와 부 증폭기로 구성되어 있으며, 부 증폭기와 MIM capacitor는 피드백 연결이 되어있으며 이는 miller effect에 의한 capacitance 증가 효과를 얻을 수 있게 하였다. 시뮬레이션 결과, 능동형 축전기의 선형적 가변 특성을 통해 입력 데이터의 고주파 손실을 보상하여 약 33%의 샘플링 마진 증가 결과를 얻을 수 있었다. 0.
기준 전압 생성회로의 온도 특성 시뮬레이션 결과는 그림 6을 통해 확인할 수 있다. 온도 변화에 대한 둔감도를 조정하는 M₆와 M₇의 사이즈 비율에 따라서 출력 전압의 특성이 변하는 것을 알 수 있으며, 섭씨-40도에서 80도까지 변화했을 경우 출력 전압 변화가 최대 약 462.8mV에서 최소 약 460.8mV로 2mV 변하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 온도 변화의 둔감한 특성을 이용하여 equalizing filter, slicer 회로 등에 안정된 전압을 공급할 수 있다.
이를 방지하기 위해서 이퀄라이저를 사용할 경우, 그림 9(b)와 같이 고주파 대역 손실이 보상되어 지터가 감소함으로써 넓은 샘플링 마진을 확보할 수 있다. 이퀄라이저를 통해 손실 보상된 데이터의 eye 너비는 319 ps(0.64 UI)로써 1-UI 기준으로 입력 대비 약 33%의 샘플링 마진이 증가했음을 알 수 있다.
45 dB의 전압 이득을 얻었다. 전체적으로 선형적인 특성을 보여주고 있으며, 이러한 특성을 통해 80 fF의 수동형 축전기를 사용할 경우 capacitance를 최소 212 fF에서 최대 502.4fF까지 변화 시킬 수 있다. 이러한 디지털 능동형 가변 축전기 특성을 사용하여 설계한 이퀄라이저의 주파수 응답은 그림 8을 통해 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Equalizing amplifier는 무엇으로 구성되어 있는가?	본 논문은 디지털 능동형 가변 축전기를 사용한 적응형 이퀄라이저를 제안하고 있다. Equalizing amplifier는 주 증폭기와 source degeneration RC 필터로 구성되어 있으며, RC필터를 디지털 능동형 가변 축전기로 구현함으로써 면적 효율을 높이고 선형적인 손실 보상 영역을 확보했다. 능동형 가변 축전기는 miller effect에 의한 임피던스 증가 효과를 사용하였으며, 증폭기 이득 조정을 통해 capacitance의 가변성을 가질 수 있도록 하였다.
	통신 채널에서의 고주파 성분 손실은 어떤 결과를 야기하는가?	데이터 통신이 높은 주파수 대역에서 이루어질수록 통신 채널의 물리적 특성에 의한 송수신 데이터의 고주파 성분 손실이 더욱 가속화 된다. 이는 데이터 심볼 간 간섭 (Inter-symbol interference, ISI)을 발생시켜 비트오류율 (Bit error rate, BER)을 증가시키는 결과를 야기한다. 따라서 고주파 대역 손실에 의한 ISI 현상을 해결하기 위해 송신/수신 회로에 다양한 기법들이 제안되었다.
	데이터 통신이 높은 주파수 대역에서 이루어질 때 나타나는 현상은?	디스플레이 기기의 크기, 해상도, 색심도 등이 증가함에 따라 디스플레이용 시리얼 통신 인터페이스의 동작 주파수 또한 점점 증가하고 있다. 데이터 통신이 높은 주파수 대역에서 이루어질수록 통신 채널의 물리적 특성에 의한 송수신 데이터의 고주파 성분 손실이 더욱 가속화 된다. 이는 데이터 심볼 간 간섭 (Inter-symbol interference, ISI)을 발생시켜 비트오류율 (Bit error rate, BER)을 증가시키는 결과를 야기한다.

참고문헌 (10)

A. J. Baker, "An adaptive cable equalizer for serial digital video rates to 400Mb/s," IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technology, Feb. 1996, pp. 32-34.
J. Lee, "A 20-Gb/s adaptive equalizer in 0.13- ${\mu}m$ CMOS technology," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 41, no. 9, 2006, pp. 2058-2066.

상세보기
S. Gondi, J. Lee, and B. Razavi, "Equalization and clock and data recovery technique for 10-Gb/s CMOS serial-link receivers," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 9, 2007, pp. 1999-2011.

상세보기
W. Lee and L. Kim, "An adaptive equalizer with the capacitance multiplication for DisplayPort main link in 0.18- ${\mu}m$ CMOS," IEEE Trans. VLSI Systems, vol. 20, no. 5, 2012, pp. 964-968.

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G. Rincon-Mora, "Active capacitor multiplier in miller-compensated circuits," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 1, 2000, pp. 26-32.

상세보기
S. Yeo, T. Cho, Y. Shin, and S. Kim "Design of OTA Circuit for Current-mode FIR Filter," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 11, no. 7, 2016, pp. 659-664.

원문보기 상세보기
B. Razavi, Design of integrated circuits for optical communications. New York: McGraw-Hill, 2002, pp. 123-129.
Y. Chai and Y. Do, "Design of DC-DC converter controller implemented with analog memory," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 10, no. 3, 2015, pp. 357-364.

원문보기 상세보기
S. Yeo, T. Cho, S. Cho, and S. Kim "Design of DC Level Shifter for Daisy Chain Interface," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 11, no. 5, 2016, pp. 479-484.

원문보기 상세보기
B. Kim and D. Kim, "Voltage regulator for baseband channel selection filters," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 8, no. 11, 2013, pp. 1641-1646.

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