CPL을 이용한 저전력 격자 웨이브 디지털 필터의 설계

Low-power Lattice Wave Digital Filter Design Using CPL

넓은 통과대역과 좁은 천이대역폭을 갖는 디지털 필터는 이동통신 장비의 CODEC이나 의료장비등에 사용된다. 이러한 주파수 특성을 갖는 디지털 필터는 다른 주파수 특성의 디지털 필터에 비해 계수 및 내부신호의 양자화 영향을 크게 받기 때문에 긴 워드 길이가 요구되며 이로 인해 칩의 면적 및 소모 전력이 증가한다. 본 논문에서는 이러한 주파수 특성을 갖는 디지털 필터의 저전력 구현을 위하여 CPL (Complementary Pass-Transistor Logic), 격자 웨이브 디지털 필터와 수정된 DIFIR (Decomposed & Interpolated FIR) 알고리듬을 이용한 설계 방법을 제시한다. CPL에서의 단락전류 성분을 줄이기 위하여 PMOS 몸체효과, PMOS latch 및 weak PMOS를 이용하는 3가지 방법에 대해 시뮬레이션을 통하여 비교한 결과 전파지연, 에너지 소모 및 잡음여유 면에서 PMOS latch를 사용하는 방법이 가장 유리하였다. 통찰력을 가지고 CPL 회로를 최적화하기 위해 CPL 기본구조에 대해 시뮬레이션 결과로부터 전파지연과 에너지 소모에 대한 경험식을 유도하여 트랜지스터의 크기를 정하는데 적용하였다. 또한 필터계수를 CSD (Canonic Signed Digit)로 변환하고 계수 양자화 프로그램을 이용하여 필터계수의 non-zero 비트수를 최소화시켜 곱셈기를 효율적으로 구현하였다. 알고리듬 측면에서 하드웨어 비용을 최소화하기 위해 수정된 DIFIR 알고리듬을 사용하였다. 시뮬레이션 결과 제안된 방법의 전력 소모가 기존 방법보다 38% 정도 감소되었다.

Wide-band sharp-transition filters are widely used in applications such as wireless CODEC design or medical systems. Since these filters suffer from large sensitivity and roundoff noise, large word-length is required for the VLSI implementation, which increases the hardware size and the power consumption of the chip. In this paper, a low-power implementation technique for digital filters with wide-band sharp-transition characteristics is proposed using CPL (Complementary Pass-Transistor Logic), LWDF (Lattice Wave Digital Filter) and a modified DIFIR (Decomposed & Interpolated FIR) algorithm. To reduce the short-circuit current component in CPL circuits due to threshold voltage reduction through the pass transistor, three different approaches can be used: cross-coupled PMOS latch, PMOS body biasing and weak PMOS latch. Of the three, the cross-coupled PMOS latch approach is the most realistic solution when the noise margin as well as the energy-delay product is considered. To optimize CPL transistor size with insight, the empirical formulas for the delay and energy consumption in the basic structure of CPL circuits were derived from the simulation results. In addition, the filter coefficients are encoded using CSD (Canonic Signed Digit) format and optimized by a coefficient quantization program. The hardware cost is minimized further by a modified DIFIR algorithm. Simulation result shows that the proposed method can achieve about 38% reductions in power consumption compared with the conventional method.