+ All Categories
Home > Documents > Jitter and timing measurement with CMOS circuits · Compare to oscilloscope measurements more...

Jitter and timing measurement with CMOS circuits · Compare to oscilloscope measurements more...

Date post: 23-Oct-2020
Category:
Upload: others
View: 3 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
53
Jitter and timing measurement with CMOS circuits K. A. Jenkins IBM T.J. Watson Research Center  with significant help from Anup Jose, Don Beisser, Ken Shepard, and David Heidel
Transcript
  • Jitter and timing measurement withCMOS circuits

    K. A. JenkinsIBM T.J. Watson Research Center

     with significant help from Anup Jose, Don Beisser, Ken Shepard, and David Heidel

  • Timing jitter is increasingly important as computer clock rates increase; jitter limits accuracy of timing measurements

    Contemporary circuits demand jitter of a few ps or less

    1. Is there some fundamental limit below which jitter in CMOS gates can not be reduced?  (eg. Thermal noise)

    Experimental determination of jitter limit in 90 nm, 1.2V CMOS inverter delay chain:

    If each inverter adds jitter independently to a propagating signal, the variances add, , eg 2=mj2  and  jitter will be proportional to the square root of the number of inverters. If added jitter at each stage is correlated, then standard deviations add, eg =mj net is linearly proportional to the number of stages.

  • reference

    full chain

    64 144 256 400 576 784

    input

    P1

    P3

    P3

    P3

    P2

    Two experiments: 1) unloaded inverters (FO1)2) heavily loaded inverters (FO11)

    Pulsegenerator

    oscilloscope

    Experimental determination of jitter limit

  • reference

    selected length

    full chain

    Sample oscilloscope traces

  • 01002003004005006007008000

    1

    2

    3

    4

    5

    1.3 V

    1.2V

    1.1 V

    1.0 Vunloaded delay chain

     

     

    rms jitter (ps)

    stage number

    Raw jitter data

    Measured jitter includes‘scope jitter (addedin quadrature)

  • 0 100 200 300 400 500 600 700 8000

    1

    2

    3

    4

    5

    1.1V

    1.3 V

    1.2 V

    1.0 V

    unloaded delay chain

     

     

    rms 

    jitte

    r (p

    s)

    stage number

    0 100 200 300 400 500 600 700 8000

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1.3 V

    1.2V

    1.0 V1.0 V

    1.1 V

    loaded delay chain (FO11)

     

     

    rms 

    jitte

    r (p

    s)

    stage number

    scope jitter subtracted

    Unloaded chains (FO1) loaded chains (FO11)

  • 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    1.3 V

    1.2 V

    1.1 V

    1.0 Vloaded delay chain (FO11)

    0.11 ps/ns

     

     

    rms 

    jitte

    r (ps

    )

    delay (ns)

    0 5 10 15 20 250.0

    0.5

    1.0

    1.5

    2.0

    2.5

    3.0

    3.5

    4.0

    4.5

    5.0

    0.12ps/ns

    1.3V

    1.2 V

    1.1 V

    1.0 Vunloaded delay chain

     

     

    rms 

    jitte

    r (ps

    )

    delay (ns)

    Jitter per delay (instead of per stage)

                                      jitter/delay~1E4  (0.12 ps/ns)

    Traced to residual power supply noise of about 80 to 100 V (rms)

  • 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.30.00

    0.05

    0.10

    0.15

    0.20

    0.25

    0.30

     

     

    unloaded delay chainjit

    ter/

    dela

    y (p

    s/ns

    )

    VDD

    (V)

    Effect of power supply level

  • 2. Onchip measurement of jitter and skew

  • Existing methods:

    Time to digital converters:

    many latches driven by buffered signal and clock; arrival time is digitized

    jitter is obtained by reading latch states repeatedly; 

    2. Measurement onchip is an attractive way to measure small amounts of jitter (and skew) 

  • C

    D

    QC

    D

    QC

    D

    QC

    D

    Q

    signal

    counter counter counter counter

    ref clock

    …128 stages

    ReferenceRestle et al, ISSCC 2004

    Previous work: latched delay line (“Skitter”); resolution ~ stage delay

    1          1                        0                                        0Binary code indicates arrival time of signal after clock

  • C

    D

    Q C

    D

    Q C

    D

    Q C

    D

    Q

    t1t1t1t1

    t2t2t2t2

    signal

    ref clock

    Dudek et al, JSSC 35, 2000

    counter counter counter counter

    Previous work: vernier delay line:10 ps resolution

    1          1                        0                                        0

  • A simpler onchip circuit with ps accuracy:

    Single latch with delayed clocksmall arealow powercontinuous operation (no startup noise issues)device matching not important

    Full disclosure: proof of principle only not ready to drop into product chip not tested in ‘hostile’ environment

  • C

    D

    o

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    22

    144

    This circuit: single latch circuit:

    5

  • C

    D

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    statemachine

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    22

    144

    Voltage controlled delay element varies the arrival of clock to latch     varying clock with respect to data integrates jitter distribution to obtain

    cumulative  distribution function

    This circuit: single latch circuit:

    5

    D

    C

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

    Changing delay of clock with respect to data generates cumulative distribution function  (time integral of jitter spectrum) 

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

    14

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • tclock

    jitter distribution  cumulative distribution function

  • cumulative distribution function

    tclock

    jitter distribution 

    Recover jitter by differentiating

  • C

    D

    o

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    22

    144 5

    Implementation in 0.13 m, 1.2 V CMOS test chip

    Delay elements: invertersLatch: differential edgetriggered (Montanaro, 1996)

  • 192m x 22 m

    delay chain and latch

    delay chain, latch, and counter

    Delay chains and latch: 3200 m2

    Counter: 3200 m2

  • reference

    clock(a) tracking, or longterm, jitter

    (b) period jitter

    jitter

    jitter

    definitions

  • C

    D

    o

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    22

    144 5

    Normal operation: compare signal to reference clock

  • C

    D

    o

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable r.o.

    bypass

    22

    144 5

    Calibration of clock delay: convert chain to ring oscillator

  • 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

    0.66

    0.68

    0.70

    0.72

    0.74

    0.76

    0.78

    0.80

    0.82

    0.84

    7/27/2004 08:15:57

     1.3 Polynomial Fit of CAL2_B

    Y =1.333170.49495 X

    calibration data

    dela

    y (n

    s)

    vdd_var(V)

    Delay calibration:Sample measurement

    about 0.5 ps/mV

    calibrate

  • 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

    0.66

    0.68

    0.70

    0.72

    0.74

    0.76

    0.78

    0.80

    0.82

    0.84

    7/27/2004 08:15:57

     1.3 Polynomial Fit of CAL2_B

    Y =1.333170.49495 X

    calibration data

    dela

    y (n

    s)

    vdd_var(V)

    1.14 1.16 1.18 1.20 1.22 1.24

    0

    5000000

    10000000

    15000000

    20000000

    25000000 channeltochannel (HP8131)

    de

    riva

    tive

    Vdd_ var(V)

    Measured CDF

    Sample measurement

    about 0.5 ps/mV

    apply signal and ref to macro

  • 1.14 1.16 1.18 1.20 1.22 1.24

    0

    5000000

    10000000

    15000000

    20000000

    25000000 channeltochannel (HP8131)

    deri

    vativ

    e

    Vdd_ var(V)

    Extracted jitter distribution

    Sample measurement

    about 0.5 ps/mV

    Delay calibration:

    differentiate and apply calibration

    1.10 1.15 1.20 1.25 1.30

    0.66

    0.68

    0.70

    0.72

    0.74

    0.76

    0.78

    0.80

    0.82

    0.84

    7/27/2004 08:15:57

     1.3 Polynomial Fit of CAL2_B

    Y =1.333170.49495 X

    calibration data

    dela

    y (n

    s)

    vdd_var(V)

     

     

    jitte

    r sp

    ect

    rum

    time (10 ps/div)

  • Compare to oscilloscope measurements

    (Jitter generated externally)

    8131 cyclecycle jitter

     

     

    sigma=12.5 psd

    eri

    vativ

    e

    time (10 ps/div)

    Sigma=4.2 ps

    Sigma=10.6 ps

    8131 channeltochannel

     

     sigma=3.2 ps

    de

    riva

    tive

    time (10 ps/div)

    (jitter generated externally)

  • Compare to oscilloscope measurements       more complicated spectrum

    Sigma=4.2 ps

    (phase modulated pulse generator)

  • Compare to oscilloscope measurements       more complicated spectrum

    Sigma=4.2 ps

    820 810 800 790 780 770 7600.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

     

     

    raw signal 

    ratio

     of 

    cou

    nts

    time (ps)

    measured CDF

    (phase modulated pulse generator)

  • Compare to oscilloscope measurements       more complicated spectrum

    Sigma=4.2 ps

    820 810 800 790 780 770 7600.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

     

     

    raw signal 

    ratio

     of 

    cou

    nts

    time (ps)

    9.8 ps

    (phase modulated pulse generator)

     

     

    10.3 ps

    de

    riva

    tive

    time (5 ps/div)

    measured jitter

  • C

    D

    o

    o

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    22

    144 5

    Resolution test: compare reference to itself

  • Resolution measurement: 

  • Effect of operating frequency  all circuit blocks work at >2.5 GHz

    1.230 1.235 1.240 1.245 1.250 1.255 1.2600

    200

    500 MHz clock frequency

     

     

    1 ps

    de

    riva

    tive

    Vdd_var(V)

    1.230 1.235 1.240 1.245 1.250 1.255 1.2600

    200

    400

    600

    800

    bypass mode

    50 MHz clock frequency

     

     

    de

    riva

    tive

    Vdd_var(V)

    Noise increases due to layout oversight (i/o power supply connectedto delay chain supply)

    50 MHz 

    500 MHz

  • 0.4 ps corresponds to ~ 850 GHz bandwidth

    How is this possible in a technology of about 70 GHz cutoff frequency?

    1/fT

    Resolution bandwidth determined by uncertainty in switching time, not rise time

  • Size and power

    Combined reference chain, delay chain latch, and i/o test point power:

    @1.2 V, f=200 MHz, P ~1.2 mW

    Delay chains and latch: 3200 m2

    Counter: 3200 m2

    Measurement time

    t=(counts)(steps)(clock period)+ overhead

    eg, 25 time steps, 10000 counts, 1 GHz clock t=800 s. 

  • reference

    clock(a) tracking, or longterm, jitter

    (b) period jitter

    jitter

    jitter

    definitions

  • C

    D

    o

    o

    signal

    ref clock latch

    signal delay chain

    clock variable delay chain o

    r.o counter

    statemachine

    clock counter

    ref counter

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypass

    Modification for cycle to cycle jitter:delay chain difference equal to clock period

    Will test this in Brahma 9SF run

  • C

    Dclocksignal latch

    signal delay chains

    variable delay chain

    clock / r.o counterstatemachine

    latch counter

    Vcntlenable ro

    bypassOCD

    OCD OCD

    OCD

    length select

    one period delayfixed delay

     period jitter: insert additional delay equal to one period

  • Comparison of oscilloscope measurement with onchip measurement

    CMOS 9SF (0.09 m) pad cage demonstration:  Apply known signal to macroGood reproduction of applied signal

     

     

     fclock

    =540 MHz

    =5.4 ps

    20 ps/div

     

     

    fclock

    =540 MHz

    =1.2 ps

    20 ps/div

    =1.8 ps

    =5.7 ps

    =1.7 ps

    =1.7 ps540 MHz falling edge

  • CMOS 9SF pad cage demonstration

    fclock

    =540 MHz

     

     

    20 ps/div

    fclock

    =1080 MHz

     

      

    =1.03 ps

    20 ps/div

    =1.8 ps

    =1.7 ps

    Comparison of oscilloscope measurement with onchip measurement

    =1.8 ps

    540 MHz falling edge

    1080 MHz rising edge

    Resolution~ 1ps

  • Effect of Vdd noise on resolution

    Quiet supply

    300 mV Gaussian noise with 10 MHz BW applied to delay chain voltage; probe decoupling of 109 nF to ground reduces the actual noise on the circuit

    Note that the prototype used simple inverters which are not noise immune!

     

     

     

    fclock

    =1080 MHz

    =2.3 ps

    20 ps/div

    fclock

    =1080 MHz

     

     

     

    =1.03 ps

    20 ps/div

    1080 MHz rising edge

  • C

    signal

    ref clocklatch

    signal delay chain

    o

    multiple measurement points: measure jitter and skew (with single variable chain)  bypass calibrates each test point

    signal delay chain

    signal delay chain

    reference variable delay chain

    signal

    signal

    bypass

  • 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300.00E+000

    1.00E+008

    2.00E+008

    3.00E+008

    4.00E+008

    5.00E+008

    6.00E+008

    6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300.00E+000

    1.00E+008

    2.00E+008

    3.00E+008

    4.00E+008

    5.00E+008

    6.00E+008

    skew=16 ps  

      

    test point 2test point 1

    fclock

    =2 GHz

    CD

    F

    time (ps)

    Skew measurement on 2 GHz experimentalresonant clock circuit; 0.18m technologyCourtesy of Ken Shepard, Columbia Univ.

    Used differential buffers to avoid power supply noise effect

  • Which technology is best?

    Similar resolution has been seen with 3 technologies:

    0.18 m, 1.5 V0.13 m, 1.2 V0.09 m, 1.2 V

    Tradeoffs:

    Scaled technologies have potentially better resolution due to faster transition times,But lower power supply operation makes them more susceptible to noise adding jitter

  • VDD

    VDD

    D D_

    CLK

    CLK CLK

    S_R_

    Q Q_

    Montanaro. J., et al. ‘ A 160MHz, 32b, 0.5W CMOS RISC microprocessor’, IEEE J. SolidState Circuits, 1996, 31, (11), pp. 17031714. 

    Differential latch senseamp latch


Recommended