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The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 15 , No. 12


[ Article ]
The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 15, No. 12, pp. 61-68
Abbreviation: JKIIT
ISSN: 1598-8619 (Print) 2093-7571 (Online)
Print publication date 31 Dec 2017
Received 24 Oct 2017 Revised 23 Nov 2017 Accepted 26 Nov 2017
DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2017.15.12.61
시간-디지털 변환기를 이용한 모바일 1T 메모리용 자가-리프레쉬 클록 생성회로 구현
원다솔^* ; 김진원^ ; 최호용^*
*㈜실리콘웍스
**충북대학교 반도체공학과
***충북대학교 전자공학과 교수
Implementation of Self-Refresh Clock Generation Circuit for Mobile 1T Memory Using Time-Digital Converter
Da-Sol Won^* ; Jin-Won Kim^ ; Ho-Yong Choi^*



Correspondence to : Ho-Yong Choi Dept. of Electronics Engineering, Chungbuk National University, 1 Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju, Chungcheongbuk-do, Korea, Tel.: +82-43-261-3231, Email: hychoi@cbnu.ac.kr



Funding Information ▼ Korea Institute for Advancement of Technology N0001883

초록

본 논문에서는 시간-디지털 변환기(TDC)를 이용한 모바일 메모리용 자가-리프레쉬 클록생성회로를 제안한다. 자가-리프레쉬 클록생성회로는 온도를 디지털 데이터로 변환하는 온도센서와 온도영역에 따라 리프레쉬 클록을 출력하는 리프레쉬 클록 생성회로로 구성된다. 온도센서는 동일 크기를 가진 인버터 체인을 이용하여 온도에 비례하는 펄스를 생성하는 온도-펄스변환기와 기준 오실레이터를 사용하여 변환된 펄스를 9비트의 디지털 데이터로 변환하는 TDC로 구성된다. 리프레쉬 클록 생성회로에서는 변환된 디지털 데이터를 5개 영역으로 나누어 클록을 생성한다. 0.18㎛ CMOS 공정을 사용하여 칩을 구현한 결과 –40℃∼100℃의 온도에 대해 5개 영역의 가변 클록 생성이 가능하고, 칩 면적은 0.124mm²이고, 전력소모는 1.5mW로 측정되었다. 이는 기존의 BGR과 ADC 방식으로 구현한 방식에 비해, 면적은 32% 수준, 전력소모는 72% 수준으로 개선되었다.

Abstract

In this paper, we propose a self-refresh clock generator for mobile memory using a time-digital converter (TDC). The circuit consists of a temperature sensor to convert temperature to digital data and a refresh clock generator circuit that outputs a refresh clock in accordance with temperature region. The temperature sensor consists of a temperature-pulse converter (TPC) using a chain of inverters with the same size and a TDC that converts it to 9-bit digital data using a reference oscillator. In the refresh clock generating circuit, the converted digital data is divided into five regions, and a clock corresponding to the data region is generated. Implementation results using a 0.18㎛ CMOS process show that it is possible to generate variable clocks by dividing the temperature of -40℃~100℃ into 5 regions, the chip area is 0.124 mm², and the power consumption is 1.5mW. Compared with the conventional refresh clock circuit using BGR and ADC, the chip area is improved to 32% and the power consumption is improved to 72%.


Keywords: self-refresh clock, time-to-digital converter, temperature sensor, 1T memory, temperature-pulse converter

Ⅰ. 서 론

최근, 모바일용 디스플레이가 고해상도, 고기능화됨에 따라 대용량의 메모리를 필요로 하고, OLED(Organic Light-Emitting Diode) 디스플레이에서도 TFT(Thin Film Transistor)마다 문턱전압, 이동도 등 데이터 저장이나 열화에 의한 휘도 변화를 보상하기 위해 대용량의 메모리가 필요하다[1]-[3]. 그러나, 모바일 메모리칩을 기존과 같이 6T SRAM 셀로 구성할 경우, 단일 칩으로 구현하는 것이 점점 어려워, 셀 면적이 작은 1T-메모리 셀로 대체하는 연구가 이루어지고 있다[4]-[6].

그러나 1T-메모리 셀은 구조상 누설전류가 발생하여, 일정시간이 지나면 데이터가 손실 우려가 있어, 클록을 이용하여 일정 시간마다 데이터를 갱신하는 자가-리프레쉬(Self-refresh)가 필요하다. 그리고 1T-메모리 셀의 누설전류는 온도가 증가함에 따라 지수적으로 증가하여, 저온에서는 수십 ms, 고온에서는 수 ms의 리프레쉬 클록 주기를 요한다[7]. 만약 전 온도구간에 동일 주기를 가진 자가-리프레쉬 클록을 인가하면, 저온에서도 불필요하게 빠른 클록이 인가되어 많은 전력이 소모된다. 따라서 온도에 따라 리프레쉬 클록을 가변적으로 인가하면 전력소모를 줄일 수 있다.

일반적으로, 온도에 가변적으로 동작하는 자가-리프레쉬 클록 회로는 온칩(On-chip) 온도센서가 1T-메모리 셀의 온도를 감지하고[8]-[12], 이에 대응되는 디지털 데이터를 생성하여, 온도에 가변되는 클록으로 생성한다[8][10].

종래의 방법에서는 BGR(Band-Gap Reference)을 이용한 아날로그 방식으로 구현한 온도센서에 [8]-[11], ADC(Analog-Digital Converter) 혹은 VCO(Voltage-Controlled Oscillator)를 이용하여 클록을 생성하는 방법이 제안되고 있다[8]-[10]. 그러나 이 방법은 면적이 크고, 전력소모가 크다는 단점이 있다.

본 논문에서는 시간-디지털 변환기(TDC, Time-Digital Converter) 기반한 디지털 방식의 온도 센서를 이용하여 온도에 따라 가변적으로 리프레쉬 클록을 생성하는 자가-리프레쉬 클록생성회로를 설계구현한다. 온도센서는 동일 크기의 인버터로 구성된 인버터 체인을 이용하여 온도-펄스변환기(TPC, Temperature-Pulse Converter)와 기준 오실레이터(Reference Oscillator)를 사용하여 이를 9비트의 디지털 데이터로 변환하는 TDC로 구성 설계한다. 리프레쉬 클록 생성회로에서는 디지털 데이터로 변환된 5개 영역으로 온도에 알맞은 클록으로 생성, 선택 출력하도록 한다.

본 리프레쉬 클록생성회로는 온도센서를 TDC에 기반을 둔 디지털 방식으로 구현함으로써 저면적 저전력으로 구현 가능하고, 또한 온도 센서 자체는 동일 크기의 인버터 체인으로 구성되고 기준 오실 레이터를 사용함으로써 기존 방식에 비해 설계 교정이 쉽고, 비교적 저전력 구현이 가능하다.

2장에서는 TDC를 이용한 자가-리프레쉬 클록생성회로를 제안하고, 3장에서는 칩 구현 결과를 제시하고, 마지막으로. 4장에서는 결론을 맺는다.

Ⅱ. 시간-디지털변환기를 이용한 자가-리프레쉬 클록생성회로 설계

본 장에서는 시간-디지털 변환기를 이용하여 온도에 가변적인 자가-클록생성회로를 제안한다. 온도를 디지털 데이터로 변환하는 TDC 기반의 온도센서와 온도에 따라 리프레쉬 클록을 출력하는 리프레쉬 클록 생성회로로 설계한다.

2.1 시간-디지털변환기를 이용한 자가- 리프레쉬 클록생성 회로

그림 1은 TDC를 이용한 자가-리프레쉬 클록생성 회로 블록도이다. 온도를 디지털 데이터로 변환하는 TDC 기반의 온도센서 블록과 온도에 따라 리프레쉬 클록을 출력하는 자가-리프레쉬 클록생성회로 블록으로 나누어진다.

Fig. 1.
Block diagram of self-refresh clock generation circuit using TDC

온도센서 블록은 1T-메모리의 동작온도(-40℃~100℃)에 비례하여 디지털 데이터를 생성하는 회로로, 온도에 비례하는 펄스를 생성하는 온도-펄스 변환기와 기준 오실레이터를 사용하여 이를 9비트의 디지털 데이터로 변환하는 시간-디지털 변환회로로 구성된다.

자가-리프레쉬 클록생성회로 블록은 오실레이터를 이용하여 생성된 클록을 온도에 따라 5개의 디지털 데이터 영역으로 나누어 해당 영역의 온도에 알맞는 클록으로 생성 출력한다.

본 디지털 방식의 온도센서는 기존의 방식에 비해서[12], 동일 크기의 인버터 체인으로 구성하고 기준 오실레이터를 사용하여 구현함으로써 기존 방식에 비해 설계 교정이 쉽고, 비교적 저전력 구현이 가능하다.

2.2 자가-리프레쉬 클록생성회로의 상세 설계

(1) 온도-펄스 변환 회로

온도-펄스 변환회로는 칩상의 온도를 온도에 비례하는 펄스폭을 가진 펄스로 변환하는 회로이다.

그림 2(a)와 같이 커플링 유닛, N+1개의 동일 인버터 체인, 9-bit 카운터, 타이밍 제어로직(Timing Control Logic)으로 구성된다.

Fig. 2.
(a) Temperature-pulse converter, (b) Pulse waveform generated according to temperature

인버터 체인은 그림 2(b)와 같이 온도에 가변적인 주기(t_d )를 갖는 클록을 출력하고, 생성된 클록은 카운터에 의해 9-비트 디지털 데이터로 변환되며, 타이밍제어논리는 카운터의 데이터를 이용해 256개의 클록 주기 시간을 온도변화에 대응되는 PTAT 특성을 갖는 펄스(T_P)로 변환한다. 동일 크기의 인버터 체인으로 구성하여 설계 교정이 쉽도록 한다.

(2) 시간-디지털 변환 회로

시간-디지털변환회로는 온도에 비례하여 얻어진 펄스 폭(T_P)을 기준 클록수로 나타내 주는 회로이다. 이는 기준 오실레이터와 카운터로 구성되며 기준 오실레이터는 그림 3과 같이 구성되고, 바이어스 전류생성회로는 온도 무관 전류생성회로를 사용한다[13].

Fig. 3.
Reference oscillator circuit using a bias-current generation circuit

그림 4는 온도에 가변적인 FOSC_OUT을 보여주며 100℃와 –40℃의 T_P와 FOSC_ OUT 파형을 보여준다. 온도에 따른 PDC의 디지털 데이터는 표 1과 같다. 본 클록 생성기는 Q2[7:4]의 데이터를 이용하여 5개의 온도구간을 사용한다.

Fig. 4.
(a) Time-digital converter, (b) Temperature variable waveform FOSC_OUT

Table 1.
Digital data of TDC according to temperature

Temperature (℃)	Q2<8:0>	Q2<7:4>
-40	100000001	0000
-30	100000110	0000
-20	100001011	0000
-10	100010001	0001
0	100011000	0001
10	100100000	0010
20	100101000	0010
30	100110001	0011
40	100111010	0011
50	101000100	0100
60	101001111	0100
70	101011011	0101
80	101100110	0110
90	101110011	0111
100	110000001	1000

(3) 자가-리프레쉬 클록생성회로

자가-리프레쉬 클록생성 회로는 설정된 5개의 온도 구간에 대응하여, 해당 영역의 클록 주기를 선택, 생성한다.

그림 5는 자가-리프레쉬 클록생성 회로로 오실레이터와 주파수 분주기, 선택기로 구성된다.

Fig. 5.
Self-refresh clock generation chircuit

온도 -40~100℃의 영역을 Q2<7:4>의 디지털 데이터를 이용해 5개의 온도 영역으로 나누고, 200kHz 클록을 분주한 주기를 선택하여 자가-리프레쉬 클록으로 출력한다.

Ⅲ. 구현 및 측정 결과

2장에서 제안한 TDC를 이용한 자가-리프레쉬 클록생성 회로를 0.18㎛ 공정을 사용하여 칩으로 구현하였다. 그림 6은 칩 사진을 보여준다. 칩의 면적은 TPC를 이용한 온도센서부가 0.046mm², 리프레쉬 클록생성회로부가 0.089mm²이고, 전체 면적은 0.124mm²이다.

Fig. 6.
Chip photography of self-refresh clock generation circuits

3.1 온도에 따른 TDC 출력

그림 7과 표 2는 온도에 따라 TPC의 출력 펄스(T_P)를 보여준다. 그림 7에서는 100℃, 30℃ 온도에서 T_P는 각각 208㎲, 176㎲의 펄스 폭을 가졌고, 표 2에서는 -40℃~100℃ 온도에 따라 TPC의 출력 펄스 (T_P)이 140㎲~211㎲로 측정되었다. 이는 1℃ 변화에 약 3.96㎱의 지연 시간으로, 온도에 따른 충분한 변화량을 가져 유효한 디지털 데이터값으로 사용 가능하다.

Fig. 7.
Measured waveforms of temperature-pulse converter (a) 100℃, (b) 30℃

Table 2.
Pulse width according to temperature

Temperature (℃)	P_T (㎲)	td (㎲)	△td/℃ (㎱)
-40	140	1.09	3.91
-20	150	1.17	3.91
0	160	1.25	3.91
20	170	1.33	4.69
40	183	1.43	3.91
60	194	1.52	3.13
80	202	1.58	3.91
100	211	1.65
t_c Average			3.96

3.2 자가-리프레쉬 클록 회로의 클록 생성

그림 8과 표 3은 온도에 따른 자가-리프레쉬 클록 회로의 클록생성 결과를 보여준다.

Fig. 8.
Measured clock waveforms of clock generation circuit (a) 80℃, (b) 10℃

Table 3.
Results of clock generation

Temperature (℃)	P_T (㎲)	Q2<7:4>	Sel<4:0>	Clock Cycle (ms)
-40∼-10	156∼174	0001∼0010	00001	38.2
-10∼10	174∼180	0011	00010	19
10∼50	180∼194	0100∼0101	00100	9.4
50∼80	194∼202	0110	01000	3.6
80∼100	202∼211	0111∼1000	10000	1.8

그림 8은 80℃와 10℃에서 생성된 클록을 보여주고, 클록은 각각 1.8ms, 18ms의 주기를 나타내었다.

표 3은 온도에 따라 디지털 출력 (Q2<7:4>)이 0001~1000으로 가변적으로 출력되고, 자가-리프레쉬 클록이 선택신호(Sel<4:0>)에 의해 5구간의 온도에 따라 가변적으로 출력됨을 보여준다.

온도에 따라 분주한 5개의 클록은 –40℃~100℃에 대해 38.2ms~1.8ms로 출력되었다. 소모 전력은 0.335㎽로 측정되었다.

3.3 기존 방식과의 비교

본 구현 결과에 대해 기존 방식과의 온도센서 부분과 리프레쉬 클록생성회로 부분으로 나누어 비교한다.

표 4는 제안한 방식의 온도센서와 기존 방식의 온도센서 특성을 보여준다. 전력소모면에서 본 방식은 3.3V 구동에 1.1㎼를 소모하여 Chen방식[12]이나 Roh방식[8]보다는 좋고, Shim방식[11]과는 전원전압을 고려한다면 비슷한 전력소모를 갖는다. 면적은 Roh방식보다 작고, Shim방식에 비해서는 공정을 고려한다면 작으나, Chen방식에 비해서는 크다.

Table 4.
Comparisons of temperature sensors

	This work	Roh[8]	Shim[11]	Chen[12]
Method	TDC(Inverter delay)	BGR+ADC	Thermometer with Resistor	TDC(Inverter delay)
Calibration (Level of difficulty)	One-point(Easy)	One-point(Not easy)	One-point(Easy)	Two-point(Not easy)
Process	0.18㎛ CMOS	0.18㎛ CMOS	44㎚DRAM	0.35㎛ CMOS
Supply voltage (V)	3.3	3.3	1.1	3
Temperature range (℃)	-40 ∼ 100	0 ∼ 85	0 ∼ 100	0 ∼ 100
Resolution (℃)	1.09	0.0088	1.94	0.2
Conversion rate (S/s)	10	333k	125	10
Power consumption (㎼)	1.10	2069	0.36	1.50
Area (㎟)	0.046	0.245	0.0413	0.025

본 방식은 원 포인트 방식으로 쉽게 교정이 가능하고, BJT와 저항이 아닌 CMOS로만 구성되어 공정제약이 적고, 동일 크기의 인버터로 구성되고 온도 무관한 기준 오실레이터로 구현되어 특성 교정이 간단하다.

표 5는 제안한 TDC방식 온도센서를 이용한 자가-리프레쉬 클록생성회로와 기존 BGR과 ADC를 이용한 Roh방식[8]과의 특성 비교를 보여준다.

Table 5.
Comparisons of electrical characteristics of self-refresh clock generation circuits

	This work	Roh[8]
Method	TDC-based Temp Sensor + Clock Generator	BGR+ADC+ Clock Generator
Process	0.18 ㎛ CMOS	0.18㎛ CMOS
Supply voltage (V)	3.3	3.3
Temperature range (℃)	-40 ∼ 100	-40 ∼ 100
Resolution (℃)	1.09	0.0088
Power consumption (mW)	1.50	2.07
Area (㎟)	0.124	0.393

본 회로는 면적은 Roh방식의 32% 수준이고, 전력소모는 72% 수준으로 개선되었다. 한편 해상도는 1.09℃로 다소 떨어지나 리프레쉬 클록 회로는 정밀한 온도감지가 필요하지 않으므로 자가-리프레쉬 클록생성회로로는 큰 영향을 미치지 않는다.

그리고 시뮬레이션 결과만을 제시한 논문[10]과 비교하면, 전력소모는 논문[10]은 1.41mW로 본 방안의 전력소모의 94%로 약간 작으나, 면적은 아날로그 온도센서로 구현되어 논문[8]의 크기 수준을 가져 본 방식보다는 면적이 클 것으로 예상된다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 시간-디지털변환기를 이용하여 온도에 가변적인 클록생성회로를 설계하였다.

온도에 따라 디지털 데이터로 변환하는 온도센서와 생성된 리프레쉬 클록을 선택적으로 출력하는 리프레쉬 클록 생성회로로 구성 설계하고, 0.18㎛ CMOS공정을 사용하여 칩을 구현하였다. 구현 결과 –40℃~100℃의 온도를 5개 영역으로 구분하여 가변 클록 생성이 가능하였다. 칩 면적은 0.124mm²이고, 온도센서 전력소모는 1.5mW로 소모되었다. 이는 기존의 BGR과 ADC 방식으로 구현한 방식에 비해, 면적은 32% 수준이고 전력소모는 72% 수준으로 개선되었다.

Acknowledgments

이 논문은 2017년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국산업기술진흥원-지능형반도체전문인력양성사업과 IDEC 지원을 받아 수행된 연구임(No. 한국산업기술진흥원에서 부여한 과제번호(No.N0001883))

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