[논문 리뷰] The SST Multi-G-Sample/s Switched Capacitor Array Waveform Recorder with Flexible Trigger and Picosecond-Level Timing Accuracy

Stuart Kleinfelder, Edwin Chiem외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 11.

Analog and Mixed-Signal Circuit Design참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 0.25 µm CMOS 공정으로 제작된 4채널, 2 G-samples/s 스위치드 커패시터 어레이 웨이브폼 레코더인 SST를 제시한다. 이는 피코초 수준의 타이밍 정밀도와 유연한 트리거링을 달성한다. LVDS 오실레이터를 통한 동기 클록킹을 사용하며, 샘플 속도 범위가 6개 온스케일에 이르며, 12비트 해상도, 1.9V 입력 범위, 校정 후 채널 간 2.5 ps 이내의 타이밍 제귀를 제공한다.

ABSTRACT

The design and performance of a multi-G-sample/s fully-synchronous analog transient waveform recorder I.C. ("SST") with fast and flexible trigger capabilities is presented. Containing 4 channels of 256 samples per channel and fabricated in a 0.25 μm CMOS process, it has a 1.9V input range on a 2.5V supply, achieves 12 bits of dynamic range, and uses ~160 mW while operating at 2 G-samples/s and full trigger speeds. With a standard 50 Ohm input source, the SST's analog input bandwidth is ~1.3 GHz within about +/-0.5 dB and reaches a -3 dB bandwidth of 1.5 GHz. The SST's internal sample clocks are generated synchronously via a shift register driven by an external LVDS oscillator, interleaved to double its speed (e.g., a 1 GHz clock yields 2 G-samples/s). It can operate over 6 orders of magnitude in sample rates (2 kHz to 2 GHz). Only three active control lines are necessary for operation: Reset, Start/Stop and Read-Clock. Each of the four channels integrates dual-threshold discrimination of signals with ~1 mV RMS resolution at >600 MHz bandwidth. Comparator results are directly available for simple threshold monitoring and rate control. The High and Low discrimination can also be AND'd over an adjustable window of time in order to exclusively trigger on bipolar impulsive signals. Trigger outputs can be CMOS or low-voltage differential signals, e.g. 1.2V CMOS or positive-ECL (0-0.8V) for low noise. After calibration, the imprecision of timing differences between channels falls in a range of 1.12-2.37 ps sigma at 2 G-samples/s.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 타이밍과 높은 다이내믹 레인지가 요구되는 애플리케이션을 위한 고속, 완전히 동기화된 아날로그 일시적 웨이브폼 레코더 개발.
• 다중 채널에서 이중 임계값 식별 및 양극성 인풋 탐지 기능을 갖춘 고도로 탄력적인 트리거링 제공.
• 2 G-samples/s에서 채널 간 2.5 ps 이내의 타이밍 정밀도를 확보하여 초정밀 웨이브폼 샘플링 구현.
• 제어 복잡도를 최소화하면서도 2 kHz에서 2 GHz까지의 넓은 샘플 속도 다이내믹 레인지 운영.
• 온칩 비교기 논리와 통합된 저전력, 고대역폭 신호 캡처를 통해 실시간 트리거 결정 성능 향상.

제안 방법

• SST는 4개의 독립 채널을 갖춘 스위치드 커패시터 어레이 아키텍처를 사용하며, 각 채널은 256개의 샘플을 저장한다.
• 내부 샘플 클록은 외부 LVDS 오실레이터로 구동되는 시프트 레지스터를 통해 생성되며, 1 GHz 클록에서 인터리빙을 통해 2 G-samples/s를 달성한다.
• 3선 제어 인터페이스(리셋, 스타트/스톱, 리드-클록)를 통해 최소한의 외부 논리로 전체 기능을 제어할 수 있다.
• 각 채널에는 신호 식별 및 트리거 생성을 위한 약 1 mV RMS 해상도의 이중 임계값 비교기 포함.
• 양극성 인풋 트리거는 조절 가능한 시간 윈도우 동안 고임계값 및 저임계값 결과를 AND 논리로 조합하여 실현된다.
• 교정를 통해 타이밍 정밀도가 향상되어 2 G-samples/s에서 채널 간 타이밍 제귀가 1.12–2.37 ps 표준편차 수준으로 감소한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스위치드 커패시터 어레이가 2 G-samples/s에서 채널 간 2.5 ps 이내의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 온칩 이중 임계값 비교기를 사용한 고도로 탄력적인 트리거링이 얼마나 효과적으로 작동하는가?
• RQ3 0.25 µm CMOS 공정에서 완전히 동기화된 다중 채널 웨이브폼 레코더의 실현 가능한 대역폭과 다이내믹 레인지가 어느 정도인가?
• RQ4 신호 무결성을 유지하면서도 샘플 속도를 6개 온스케일에 걸쳐 유연하게 조정할 수 있는가?
• RQ5 온칩 비교기 논리의 통합이 실시간 트리거 성능과 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 50 Ω 소스를 사용할 때, 1.5 GHz에서 -3 dB 아날로그 입력 대역폭을 확보하고, ±0.5 dB 범위 내에서 1.3 GHz 대역폭 확보.
• 2.5V 전원에서 2 G-samples/s로 동작하며, 12비트 다이내믹 레인지와 1.9V 입력 범위를 제공하며, 약 160 mW 소비.
• 2 G-samples/s에서 교정 후 채널 간 타이밍 제귀가 1.12–2.37 ps 표준편차 수준으로 감소.
• 단일 외부 LVDS 오실레이터를 사용하여 2 kHz에서 2 GHz까지 6개 온스케일의 샘플 속도 범위 지원.
• 이중 임계값 식별을 통해 600 MHz 이상 대역폭에서 1 mV RMS 해상도의 신호 탐지 가능.
• 트리거 출력은 CMOS 또는 저전압 차등 신호(예: 1.2V CMOS 또는 0–0.8V ECL)로 구성 가능하여 저노이즈 작동 지원.