Xmodel HSlink (3)

이어서 Transmitter와 Receiver에 대한 modeling 기초를 배우게 되었다.

transmitter 부분에서 voltage를 전송하는데 있어서 CMOS inverter가 과연 좋은 driver인지 고찰할 필요가 있다.

full swing이 가능해야 좋은 transmitter driver라고 볼 수 있는데, inverter의 경우는 CMOS로 구성이 되어서 widely하게 변하는 Vout을 볼 수 있다. 입력에 따라서 계속 변하는 것이다. 이는 Zo로 matching이 안되어서 양쪽으로 reflection이 일어날 수 있기에 좋은 driver가 아니다.

그래서 driver 관점으로 termination scheme로 전송측 driver를 살펴볼 필요가 있다. driver는 voltage mode혹은 current mode로 나뉜다. 둘의 차이는 전류 혹은 전압으로 0/1을 구별하는 것이다. voltage mode는 V와 I가 따로 전달이 되고 그에 따른 값으로 구분한다.

그 중에 가장 많이 쓰이는 driver가 Push-Pull voltage mode driver 라고 한다. Vsw는 0.3~1V로 swing하게 signal을 세팅하고 (triode 영역 동작하게끔) Rs를 활용해서 terminate를 형성해서 reflection을 막아야한다. 이는 driver의 NMOS의 Rd 값도 고려해서 Rd+Rs가 Zo가 되게끔 형성해야지 matching이 된다. 그렇게 전압에 따라서 drive하며 값을 결정하는 것이다.

또한 saturation 영역은 전류가 많기 때문에 linear(triode) 영역에서 저항처럼 동작을 하게 driver를 설정해야하고, MOSFET의 L,W를 저항에 맞춰서 sizing하는 것이다.

이처럼 NMOS의 Transistor의 저항도 고려해서 설정해야한다. 보통의 경우 Rd와 Rs를 적절히 나눠서 matching을 한다고 한다. MOSFET의 model도 들어가게 되는데, 이는 전류의 값이 이전에 20um보다 클 때는 제곱의 형태로 식을 가졌는데, 요즘은 제곱이 없어도 맞다고 한다.

그렇게 Width 값을 설정해서 Rd를 맞추면 된다. channel length는 고정하고 Width를 조정해서 전류와 저항을 조정할 수 있는 것이다. testbench를 세팅하고 결과를 확인할 수 있다.

이 회로의 경우 만일 impedance matching이 안되었으면 계속 반사파로 증가를 해서 섞여서 0인지 1인지 구분을 할 수 없을 것이다. 그래서 반사파를 상쇄하게끔 매칭을 하고 보면 출력측에 반사파가 한번 나타나서 step이 한 번 일어나는 것을 볼 수 있고, 그 이후에는 반사파가 없이 유지를 할 수 있는 것이다.

그 다음으로는 Pull-down current mode driver를 볼 수 있다. saturation 영역에서 NMOS를 동작해서 전류로 데이터를 구분하는 것이다. 전류로 구동을 하는 것이니 절대값으로서 구분을 하는 것이다. 그렇기 때문에 노이즈에 강하지만, Vterm이 커야하기에 파워소모가 크게 된다.

출력측에 R을 Zo로 매칭해서 전압으로 바꾸는 역할로 진행한다.

예시 회로로 보면 saturation을 위해서 전압을 높혀야하고 원하는 Vpp를 맞출 수 있다.

출력측에 impedance matching을 통해서 반사파가 없다.

 

Double termination으로 출력과 입력측 모두 반사파를 막을 수 있다. 하지만 이는 swing을 낮추고 power를 증가시키게 된다.

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이제 receiver측의 신호 도달한 순간을 볼 수 있다. 여기서 sampling과 detection을 통해서 신호를 받는다. 그러기 위해서는 기준이라는 것이 필요하다. 어느 기준으로 0과 1을 구분할지 필요한 것이다.

기준을 위해서 3가지 방식이 있는데, power supply측에서 기준을 주는 방식과 송신측에서 주는 방식과 implicit 0로 활용하는 방식이 있다.

먼저 Rx에서 locally하게 power supply를 이용하는 방식이다. 

이 방식은 먼저 Tx에서 몇 Vpp로 움직일지 알고서 reference를 생성하는 것이다. 하지만 Tx 부분과 독립적이어서 Vpp가 바뀌면 모르게 된다. 

추가로 driver를 공유해서 reference를 이용하면 서로 interference가 있을 수 있다. noise가 존재하는 것이다.

그에 대한 회로를 시뮬해보면 voltage driver로 구성할 수 있다. (보통 메모리 인터페이스에서 자주 사용)

하단부에 저항을 활용해서 전압을 분배해서 내가 원하는 기준 전압을 power supply로 만들 수 있다.

하단부의 저항이 100옴으로 하는 경우도 있는데, 이는 balance를 맞춰서 장점이 있지만 전류가 커서 파워소모가 크다.

그래서 2kohm 정도로 설정을 했다.

 

결과는 reference를 power supply를 통해서 진행을 했기에 제대로 나오는 것을 볼 수 있다.

두번째로 Tx측에서 reference를 보내는 방식이다. 이는 추가적으로 line이 더 필요하다는 단점이 있다.

회로로 살펴보면 data voltage swing의 절반을 다른 transmission line을 통해서 보내게 된다. 이는 current mode driver를 활용해서 보내게 된다. 그래야지 reference를 만들기가 쉽다. 그렇게 기준 전류를 NMOS로 조정하여 voltage swing 기준을 만들 수 있다. 전류를 절반 줄이기 위해서 W를 줄인다.

마지막은 암묵적으로 zero를 만드는 것인데, 이는 differential signaling을 활용한다. 두개의 신호로 noise에 강하고 "zero" 차이가 암묵적인 기준이 된다.

bipolar signaling으로 push-pull 방식으로 +x -x로 진행이 되는 것이다. 즉 암묵적으로 0을 기준으로 1/0 을 구분한다.

그 예시로 VM driver로 구성된 것을 볼 수 있다. 이는 두 신호를 부호를 바꿔서 보내게 된다. 그러면 Rx측에서 신호를 그냥 비교를 해서 +면 1 -면 0을 표현하게 된다.

그 결과로 차이가 2배가 나는 (Vpp 2배) 것을 볼 수 있다. 200mV와 -200mV를 표현해서 0을 기준으로 값을 얻는 것이다.

마찬가지로 CM driver로 differential pair를 구성하는데, Ibias를 통해서 두개의 출력을 조정한다.

differential pair로 양쪽의 전압차이로 전류를 구동하는 것이다. 

입력과 입력bar가 양쪽으로 연결이 되어서 NMOS를 조정하며 큰쪽으로 전류가 구동이 되며 이는 Ibias에 맞춰서 구동이 된다. 그렇게 CM driver 형태로 250mV의 Vpp를 가진다. (0이어야 1인가??)

마찬가지로 push-pull current mode driver를 볼 수 있는데, 이는 low voltage differential signaling (LVDS)로 자주 쓰이는 형태이다. 전류를 +/-로 pair로 구성한다.

구성을 보면 Din값에 따라서 1을 보내기 위해서 하단에서 -를 상단에서 +를 보내서 differential로 활용해서 전달하게 된다.

그러면 Rx측에서 opamp 비교로 전달을 하는 것이다.

하지만 요즘은 Vdd의 값이 너무 낮아져서 전력소모가 같지가 않고 Vdd를 크게 유지해야해서 전력소모가 크다고 한다. (전류 구동을 위해서)

그에 대한 설계와 시뮬을 돌린다. 

termination을 위해서 100옴으로 분배되게 하였다. 그러고 Vcm (common mode)에 따라서 기준으로 differential로 움직이는 값으로 구분할 수 있다.

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이번에는 Tx와 Rx에 대한 얘기를 진행했다. 

Tx측에서는 driver에 대한 문제로 임피던스 매칭을 할 수 있을 driver가 필요했고, 그에 대해서 CM과 VM driver가 있었다. 그러면서 내부 NMOS와 저항으로 임피던스 50옴 매칭을 했고, CM은 출력측에 저항으로 전압을 넣어주며 매칭을 했다.

Rx측에서는 0과 1을 구분하기 위한 기준이 필요했는데, 이에 대한 3가지 방식이 있었다.

power supply

Tx에서 받기

implicit 0

이 세가지 중에서 LVDS로 implicit 0를 활용하는 것이 추세다.