A Design of Prescaler with High-Speed and Low-Power D-Flip Flops

An prescaler which uses PLL(Phase Locked Loop) must satisfy high speed operation and low power consumption. Thus the performance or TSPC(True Single Phase Clocked) D-flip flops which is applied at Prescaler is very important. Power consumption of conventional TSPC D-flip flops was increased with glitches from output and unnecessary discharge at internal node in precharge phase. We proposed a new D-flip flop which reduced two clock transistors for precharge and discharge Phase. With inserting a new PMOS transistor to the input stage, we could prevent from unnecessary discharge in precharge phase. Moreover, to remove the glitch problems at output, we inserted an PMOS transistor in output stage. The proposed flip flop showed stable operations as well as low power consumption. The maximum frequency of prescaler by applying the proposed D-flip flop was 2.92GHz and achieved power consumption of 10.61mw at 3.3V. In comparison with prescaler applying the conventional TSPC D-flip $flop^[6]$, we obtained the performance improvement of $45.4\%$ in the view of PDP(Power-Belay-Product).

고속 저전력 D-플립플롭을 이용한 프리스케일러 설계

프리스케일러는 PLL(Phase Locked Loop)의 동작속도를 결정하는 중요한 부분으로서 저전력의 요구조건 또한 만족해야 한다. 따라서 프리스케일러에 적용되는 TSPC(True single pulse clocked) D-플립플롭의 설계가 중요하다. 기존의 TSPC D-플런플롭은 출력단의 글리치(glitch) 문제와 클럭의 프리차지(precharge)구간에서 내부노드의 불필요한 방전으로 인한 소비전력이 증가하는 단점이 있다. 본 논문에서는 프리차지와 방전을 위한 클럭 트랜지스터 패스를 공유함으로서 클럭 트랜지스터의 수를 감소시켰고, 입력 단에 PMOS 트랜지스터를 추가하여 프리차지 구간동안의 불필요한 방전을 차단함으로서 소비전력을 최소화하였다. 또한 출력 단에 mos 트랜지스터를 추가함으로서 글리치 문제를 제거했고, 안정적인 동작을 하는 TSPC D-플립플롭을 제안하였다. 제안된 D-플립플롭을 프리스케일러에 적용시켜 검증한 결과 3.3V에서의 최대동작주파수는 2.92GHz, 소비전력은 10.61mw로 기존의 회로$^[6]$와 비교하였을 때 PDP(Power-Delay-Product) 측면에서 $45.4\%$의 개선된 결과를 얻었다.