2．5 Gbps收發(fā)器中1：2解復(fù)用電路的設(shè)計(jì)

摘要：在2.5 Gbps高速串行收發(fā)系統(tǒng)接收端中1到2解復(fù)用電路位對于降低群斯ぷ魎俁齲減輕設(shè)計(jì)壓力，提高電路穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。本文描述了基于電流模式邏輯的解復(fù)用電路工作原理，按照全定制設(shè)計(jì)流程采用SMIC0.18um混合信號工藝完成了高速差分?jǐn)?shù)據(jù)的1到2解復(fù)用，并采用SpectreVerilog進(jìn)行了數(shù)模混合仿真，結(jié)果表明該電路在2.5Gbps收發(fā)器電路中可以穩(wěn)定可靠地工作。

高速通信系統(tǒng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，大量的信息交互促進(jìn)了通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高速干線系統(tǒng)作為信息高速公路的主干，研究設(shè)計(jì)其所采用的高速芯片勢在必行。數(shù)據(jù)的傳輸方式，由于并行信號彼此之間的耦合與串?dāng)_限制了其工作速度和傳輸距離，而串行方式節(jié)約傳輸媒介，降低了系統(tǒng)互連的復(fù)雜性，傳輸速率更高、距離更遠(yuǎn)，已在芯片之間、處理器與外設(shè)之間、高速硬盤接口、背板連接等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

為了克服時鐘的最大翻轉(zhuǎn)頻率受到工藝限制的缺點(diǎn)，簡化電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及時鐘分布的難度，實(shí)現(xiàn)更高的速率，同時盡量降低系統(tǒng)功耗，半速率電路結(jié)構(gòu)逐步取代全速率結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)2.5Gbps高速串行收發(fā)器的工作實(shí)際，為降低后續(xù)電路設(shè)計(jì)難度，采用工作速率較高的電流模式邏輯(Current Mode Logic，CML)設(shè)計(jì)了雙環(huán)時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路中的前端1：2解復(fù)用電路，采用SMIC0.18 um模擬混合信號工藝實(shí)現(xiàn)并基于SpectraVerilog進(jìn)行數(shù)模混合仿真，結(jié)果顯示電路可以正常工作，符合預(yù)期要求。

1 解復(fù)用電路單元

解復(fù)用電路把一路高速信號還原為若干路低速信號，常用結(jié)構(gòu)包括串行、并行、樹形以及上述3種結(jié)構(gòu)的組合形式。串行解復(fù)用電路結(jié)構(gòu)簡單，時序關(guān)系清楚，可以實(shí)現(xiàn)任意1：N的解復(fù)用功能，但所有觸發(fā)器工作在輸入時鐘頻率上，其工作速度會制約電路的速度，因此串行結(jié)構(gòu)對觸發(fā)器設(shè)計(jì)和工藝的要求較高，而提高觸發(fā)器速率會帶來芯片功耗增加、電平擺幅減小，噪聲容限變小等問題，因此常用于低速系統(tǒng)中;并行結(jié)構(gòu)中觸發(fā)器工作在輸出數(shù)據(jù)速率上，對觸發(fā)器速率要求小，因此功耗較低、設(shè)計(jì)簡單，兼顧了速度與功耗，是1：2解復(fù)用電路的理想結(jié)構(gòu)，但對于1：N解復(fù)用而言，N個并行連接的觸發(fā)器對前級電路構(gòu)成很大的電容負(fù)載，是速率提升變得困難;樹形解復(fù)用電路充分利用1：2并行解復(fù)用電路的優(yōu)點(diǎn)，使整個電路較前兩種結(jié)構(gòu)有高速低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

對于采用半速率結(jié)構(gòu)的高速串行收發(fā)器而言，整個電路性能主要受前端1：2解復(fù)用電路的限制，同時考慮到為了增強(qiáng)信號可靠性，待處理的輸入數(shù)據(jù)為差分?jǐn)?shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的1：2解復(fù)用電路采用類并行結(jié)構(gòu)，如圖1所示，上下兩個電路為采用電流模式邏輯結(jié)構(gòu)的解復(fù)用電路單元，輸入為差分?jǐn)?shù)據(jù)和互補(bǔ)時鐘。

電流模式邏輯電路相比傳統(tǒng)的CMOS電路可以在更低的信號擺幅情況下工作在更高的頻率。基于CML的解復(fù)用電路單元原理圖如圖2所示，其工作原理可以描述為：NMOS管N1L可以看做開關(guān)使用，在時鐘CKP為低電子期間截止，由N2L、N3L、P1L和P2L構(gòu)成的輸入級處于保持模式，N4L和N5L的漏極被充電到高電平;在時鐘CKP為高電平期間導(dǎo)通，輸入級處于透明狀態(tài)，電路接收差分輸入數(shù)據(jù)Din_P和Din_N。電路中由P4L和P6L構(gòu)成的正反饋電路對前級起到鎖存作用，可以加速輸出數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)，提高轉(zhuǎn)換速率;左下角的8個晶體管構(gòu)成平衡負(fù)載電路，可以保證N4L和N5L輸出線上的負(fù)載對稱。輸入數(shù)據(jù)在時鐘信號控制下送到輸出Dout，輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)反相。

對圖1所示的解復(fù)用模塊進(jìn)行仿真，輸入為由互補(bǔ)的PWL分段線性源指定的位周期為400 ps的差分?jǐn)?shù)據(jù)，采用周期T=800 ps，上升時間和下降時間為tr=tf=40 ps的脈沖電壓源作為時鐘信號，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出有效數(shù)據(jù)部分從時鐘的第二個高脈沖開始，從仿真結(jié)果可知，解復(fù)用電路可以正常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)1：2的串并轉(zhuǎn)換。

2 用于高速收發(fā)器的解復(fù)用電路

在高速串行收發(fā)器的接收端，為了保證數(shù)據(jù)的魯棒性和電路工作的可靠性，數(shù)據(jù)采用差分形式。從第2部分可以看出基于CML的1：2解復(fù)用電路可以正常工作，因此可以以此為基礎(chǔ)搭建用于高速差分串行數(shù)據(jù)半速率收發(fā)器的前端1：2解復(fù)用電路。電路原理圖如圖4所示。其中clkI與clkIN、clkQ與clkQN為互補(bǔ)時鐘，clkI與clkQ為正交時鐘，DinP和DinNer位差分輸入的2.5Gbps串行數(shù)據(jù)，DmP與DmN、DsP與DsN為1：2解復(fù)用后的兩路1.25Gbps差分?jǐn)?shù)據(jù)。

采用SMIC 0.18um模擬混合信號工藝完成電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)對圖4所示解復(fù)用單元進(jìn)行仿真。由于分段線性電壓源在表示數(shù)據(jù)時特別繁瑣，而且單個指定數(shù)據(jù)難以保證仿真的隨機(jī)性和全面性，故而這里采用數(shù)?；旌系姆椒ㄟM(jìn)行仿真。輸入數(shù)據(jù)采用VerilogHDL語言編寫的偽隨機(jī)序列，采用Cadence的SpcctreVerilog進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖5所示，比較輸入數(shù)據(jù)和由主時鐘采樣輸出的數(shù)據(jù)，可以看出電路的解復(fù)用操作是正確的。

3 結(jié)論

本文描述了解復(fù)用電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并分析了各自特點(diǎn)，根據(jù)2.5Gbps高速串行收發(fā)器的應(yīng)用實(shí)際，采用類并行結(jié)構(gòu)、基于電流模式邏輯設(shè)計(jì)了收發(fā)器的前端解復(fù)用電路，并分析了其工作原理，采用SMIC0.18um混合信號工藝完成了電路設(shè)計(jì)，并采用SpectreVerilog進(jìn)行了數(shù)模混合仿真，結(jié)果表明該電路在2.5Gbps收發(fā)器電路中可以穩(wěn)定可靠地工作。