Self-Timed Ring Oscillators : from theory to practice
Oscillateurs Asynchrones en Anneau : de la Théorie à la Pratique Thèse soutenue
Résumé
Oscillators are essential building blocks in many applications. For instance, they are basic blocks in almost all designs: they are part of PLLs, clock recovery systems and frequency synthesizers. The design of a low phase-noise multi-phase clock circuitry is especially crucial when a large number of phases is required. There are plenty of works covering the design of multiphase clocks. High frequency oscillators can be implemented using ring structures, relaxation circuits or LC circuits. Ring architectures can easily provide multiple clocks with a small die size. With the advanced nanometric technologies, it is also required to deal with the process variability, stability and phase noise. Today many studies are oriented to Self-Timed Ring (STR) oscillators which present well-suited characteristics for managing process variability and offering an appropriate structure to limit the phase noise. Therefore, self-timed rings are considered as promising solution for generating clocks. This thesis studies the benefits and potential offered by Self-Timed Ring oscillators. Two main applications have been identified. On the one hand, these oscillators are a promising solution for the generation of high-frequency multi-phase low phase noise clocks. On the other hand, they are a simple alternative to some extent to the conventional oscillators and DLLs, because they are digitally programmable. Several oscillators have been designed, implemented, manufactured in 65 nm CMOS technology from STMicroelectronics, and characterized. This work has demonstrated the relevance of these oscillators, which are a serious alternative to the conventional ring oscillators based on inverters.
Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet, ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signaux modulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone). Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles à verrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruit de phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est également nécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication. Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneau qui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrent une structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchrones sont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges. Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateurs asynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D'une part, ces oscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d'horloges polyphasées à haute fréquence et à faible bruit de phase. D'autre part, ils constituent une alternative simple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ils sont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir les fonctionnalités d'arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont été conçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et, finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer la pertinence de ces oscillateurs et qu'ils constituent une alternative sérieuse aux très classiques oscillateurs en anneau à base d'inverseurs.
Loading...