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シグナルインテグリティ評価用 100-GSa/s サンプリング

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シグナルインテグリティ評価用 100-GSa/s サンプリング
2002 年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会
C-12-12
シグナルインテグリティ評価用
100-GSa/s サンプリングオシロスコープマクロ (II)
A 100-GSample/s Sampling Oscilloscope Macro for Signal Integrity Checking (II)
高宮
真
水野正之
中村和之*
Makoto Takamiya, Masayuki Mizuno, and Kazuyuki Nakamura*
NEC シリコンシステム研究所
*現在、九州工業大学
Silicon Systems Research Labs, NEC Corporation
*Kyushu Institute of Technology
1. はじめに
4. まとめ
LSI 上での電源ノイズ、基板ノイズ等によるシグナルイ
ンテグリティの劣化が、LSI の性能向上を阻害しており、
大きな問題となっている。シグナルインテグリティの評価
用に、測定電圧範囲が広く、高精度(100-GSa/s)のサンプリ
ングオシロスコープマクロを開発した[1]。前回のサンプリ
ングヘッドに関する報告[2]に続き、今回はサンプリングク
ロック発生回路について報告する。
LSI 上のシグナルインテグリティの評価を目的として、
0.13µm CMOS でサンプリングオシロスコープマクロを開発
した。サンプリングクロック発生回路を内蔵することによ
り 、 測 定 が 容易になる上、サンプリングレートが 100GSa/s の高精度測定が可能となった。本マクロにより、LSI
が実装された状態でも、LSI 上の波形を高精度かつ容易に
実測することができる。
2. サンプリングオシロスコープマクロ
参考文献
[1] M. Takamiya et al., ISSCC, pp. 182 – 183, 2002.
[2] 高宮等, 電子情報通信学会総合大会, C-12-6, 2002.
[3] R. Ho et al., Symp. VLSI Circuits, pp. 138 – 139, 1998.
サンプリング測定における時間精度は被測定信号とサン
プリングクロックの周期の差(∆T)で決まり、∆T が小さいほ
ど高精度である。しかし、従来のサンプリングオシロスコ
ープマクロ[3]ではサンプリングクロックを LSI 外部から供
給していたため、∆T を微少量にしてサンプリングレート
を高めることが困難であった。そこで、我々はサンプリン
グクロックを LSI 内部で発生することにより 100-GSa/s
(∆T=10ps)を実現するサンプリングオシロスコープマクロを
開発した。
図 1 に開発したマクロのブロック図を示す。8 個のサン
プリングヘッド(SH)と 1 つのサンプリングクロック発生回
路(SCG)から構成されている。周期 T の入力信号を、SCG
で生成した周期 T+∆T のサンプリングクロックでサンプリ
ングすることにより、出力信号の時間軸は入力の T/∆T 倍
に拡大される。SH は被測定回路の電源線、接地線、クロ
ック信号線、基板コンタクト等に接続されている。図 2 に
SCG のブロック図を示す。∆T を小さく保ちつつ、小面積
と広い測定時間範囲を両立するため、オフセット遅延発生
回路と遅延増加回路から構成される。オフセット遅延発生
回路により、測定時間範囲を 1ns 刻みで 7ns までシフトで
きる。遅延増加回路では、クロックの立ち上がり毎に 10ps
(=∆T) ず つ 増 加 す る 遅 延 を 加 え る こ と に よ り 、 周 期 が
T+10ps のサンプリングクロックを発生する。10ps の遅延は
160ps の単位遅延に対して位相補間回路により 1/4 の位相補
間を 2 度繰り返すことにより生成した。
Sampling Oscilloscope Macro
Sampling Clock
Generator
(SCG)
Sampling clk
(T+∆T)
Clk
T
in
Selector
Sampling
Head
(SH)
8
Tx T
∆T
Oscilloout scope
x8
Output
Buffer
50 Ω
Off-chip
図1
Clk
サンプリングオシロスコープマクロのブロック図
遅延増加回路
160ps
オフセット遅延
発生回路
1ns
Selector
Selector
Phase Interpolator
40ps
0- to 7-ns delay
by 1-ns step
Selector
Phase Interpolator
10ps
Selector
0- to 1.27-ns delay
by 10-ps step
図2
3. 実測結果
電圧 [V]
1.2V, 0.13µm CMOS プロセスでサンプリングオシロスコ
ープマクロの試作を行った。SCG の面積は 23,600µm2、SH
1 つの面積は 1,550µm2 と小面積である。本マクロの消費電
力は 32mW であった。図 3 にクロックの立ち下がりエッジ
の本マクロによる実測波形を示す。クロック波形を 10ps 刻
みの高精度でサンプリング測定することに成功した。
図3
78
Sampling clk
サンプリングクロック発生回路(SCG)のブロック図
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
0
10-ps step
sampling
VDD = 1.2 V
100
200
300
400
時間 [ps]
500
600
クロック立ち下がりエッジの本マクロによる実測
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