深度解析芯片端接電阻校準(zhǔn)

阻抗匹配在高速串行,傳輸系統(tǒng)中，有著非常廣泛的應(yīng)用，目前主要有以下幾類(lèi)實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)阻抗匹配的位置：

（1）PCB板上阻抗匹配

（2）片上阻抗匹配

在PCB上靠近芯片的位置直接端接阻抗匹配和片上阻抗匹配，可以達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性，但是需要占用很大的面積，而且隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，多處都會(huì)用到阻抗匹配，這時(shí)就需要在片上去集成阻抗匹配電阻。而根據(jù)電阻本身的性質(zhì)，可以分為無(wú)源電阻和有源電阻，這種分類(lèi)屬于片上阻抗匹配的范疇。無(wú)源電阻通常采用的是多晶硅電阻，可以將多晶硅直接放到終端作為匹配電阻，多晶硅具有很好的線性度和溫度特性，且電容負(fù)載小，但是去缺點(diǎn)就是精度不高。以TSMC 65nm工藝為例，其精度僅為1±30%，但是高速串行接口對(duì)匹配電阻的精度要求卻非常高，因此無(wú)論是從PVT的角度，還是從多晶硅電阻本身的精度來(lái)說(shuō)，都需要對(duì)其進(jìn)行精確校準(zhǔn)。

當(dāng)前主要的校準(zhǔn)方法分為下面幾類(lèi)：

偏置校準(zhǔn)，主要是通過(guò)芯片內(nèi)部的電流鏡向外部精密校準(zhǔn)電阻和內(nèi)部校準(zhǔn)電阻BLOCK灌電流，通過(guò)產(chǎn)生的偏置電壓來(lái)調(diào)節(jié)需要校準(zhǔn)的電阻模塊，調(diào)節(jié)的方法也可以分為兩類(lèi)：模擬電流控制和數(shù)字電壓控制。

模擬電流控制是通過(guò)模擬偏置電壓控制Vgs電壓，進(jìn)而控制流過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)器transistor的電流，其缺陷很明顯，對(duì)干擾和噪聲很明顯；而數(shù)字電壓控制，是通過(guò)電壓來(lái)打開(kāi)或者關(guān)閉并聯(lián)的輸出驅(qū)動(dòng)器，對(duì)噪聲具有很好的抑制性，也很容易進(jìn)行數(shù)字化。

I/O端接阻抗校準(zhǔn)電路如圖1所示：包括模擬和數(shù)字兩個(gè)部分，此外在芯片外部有200ohm的高精度電阻（也可以設(shè)計(jì)為其它阻抗，比如1.8K等），在芯片內(nèi)部有一個(gè)集成的參考電流鏡電流源源（提供3.25mA的DC電流），該電流鏡有3條支路，分別給TX、RX和外部REXT校準(zhǔn)電阻，而每個(gè)支路的開(kāi)關(guān)是由CMOS傳輸門(mén)（TG）實(shí)現(xiàn)的（在忽略失配的情況下，電流鏡的電流假定完全一致）。詳細(xì)的電流鏡和開(kāi)關(guān)電路如下圖所示：

校準(zhǔn)電路，實(shí)際上校準(zhǔn)的是TX和RX校準(zhǔn)電路的replica blocks（后面統(tǒng)一稱(chēng)為復(fù)制塊），所謂復(fù)制，指的就是的復(fù)制實(shí)際上的TX/RX的input/output端接匹配電路，有一點(diǎn)差異就是， 復(fù)制塊需要校準(zhǔn)的阻值和片外精密校準(zhǔn)電阻并不一定相等，在此案例中，復(fù)制塊目標(biāo)校準(zhǔn)電阻值為200ohm。

如上圖所示，顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的TX到RX的link架構(gòu)：TX 輸出端接電阻和輸出buffer，傳輸線（50ohm）和RX端的input端接電阻模塊，而普通的接口，TX只有1個(gè)buffer，RX只有一個(gè)差分運(yùn)放。

在校準(zhǔn)過(guò)程中，TX/RX端的端接電阻，會(huì)從校準(zhǔn)電路已經(jīng)校準(zhǔn)完成后的寄存器中中獲得復(fù)制塊的二進(jìn)制校準(zhǔn)代碼，然后在TX/RX的端接電路中設(shè)置50ohm的阻抗。因?yàn)閺?fù)制塊的牧寶校準(zhǔn)阻抗是高速Link端接阻抗的4倍，因此會(huì)在校準(zhǔn)代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，設(shè)置在TX/RX端接電阻陣列中，從而產(chǎn)生50ohm的阻抗。

如上圖所示，復(fù)制塊電路中，包含不同阻值的GROUP，每個(gè)GROUP都有并聯(lián)的電阻和控制MOS（可以在截止或者三極管區(qū)域工作），每個(gè)電阻都可以通過(guò)MOS的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制（使用來(lái)自邏輯塊的二進(jìn)制代碼），每個(gè)GROUP的阻值都是下一個(gè)的兩倍，在此方案就有7個(gè)GROUP，第一個(gè)電阻最小（32X），第六個(gè)只有1個(gè)電阻（X）。

MSB[5]的二進(jìn)制代碼連接到最小的電阻GROUP（32X），LSB[5]就連接到了最大的電阻GROUP，為了避免Rcal的電阻過(guò)大，因此增加了一組最小的GREOUP（R=64X）。

校準(zhǔn)電路在各種PVT條件下，提供了200ohm的恒定電阻，但是通常電阻變化范圍可以達(dá)到±50ohm，所以在典型情況下，至少需要150~250ohm的電阻校準(zhǔn)范圍，這一條件被用于選擇每個(gè)replica模塊的電阻值。

在本文提出的解決方案中，常開(kāi)的GROUP的阻值為300ohm（64X=300ohm）,因此當(dāng)二進(jìn)制代碼為0的時(shí)候（Vcal=000000）,總阻值就是300ohm，而當(dāng)所有的GROUP都打開(kāi)時(shí)（Vcal=000000）,總阻值為150ohm。

對(duì)于中間的輸入二進(jìn)制代碼，在典型的情況下，具有200ohm左右的復(fù)制模塊電阻是非常重要的。

TX和RX復(fù)制塊的校準(zhǔn)原理基本都是一樣的，但是有個(gè)小差異：TX的輸出端接電阻block是驅(qū)動(dòng)電路的一部分，上拉和下拉路徑上有兩個(gè)transistor，第一個(gè)transistor用于數(shù)據(jù)輸入，第二transistor則被TX復(fù)制塊的二進(jìn)制代碼進(jìn)行控制，因此對(duì)TX電路，只有下拉電路被用在復(fù)制塊中，在校準(zhǔn)完成之后，二進(jìn)制代碼也會(huì)被用在TX上拉電路中。事實(shí)上，TX的復(fù)制快每個(gè)電阻都可以表示為兩個(gè)NMOS管加上一個(gè)電阻串聯(lián)，如下圖所示：

第一個(gè)transitor接收二進(jìn)制代碼，第二個(gè)晶體管被拉高并且常開(kāi)，RX復(fù)制模塊的單電阻塊被表示為NMOS晶體管(二進(jìn)制輸入)和電阻串聯(lián)連接。

I/O端接電阻校準(zhǔn)電路有如下幾個(gè)部分組成：

（1）邏輯控制模塊；

（2）多路復(fù)用器；

（3）比較器；

邏輯控制模塊用于提供所有的數(shù)字信號(hào)，比如校準(zhǔn)代碼（Vcal）、開(kāi)關(guān)信號(hào)（Vswitch）用于控制電流開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用器、和復(fù)位信號(hào)去寫(xiě)數(shù)據(jù)/復(fù)位寄存器（寄存器用于保存校準(zhǔn)代碼），比較器用于比較復(fù)制塊的校準(zhǔn)電壓和外部參考電壓，輸出電壓（Vcomp）作為邏輯模塊的輸入。

校準(zhǔn)過(guò)程如上表所示，從RX開(kāi)始，一個(gè)3-bit的信號(hào)（由邏輯模塊產(chǎn)生），用于控制電流開(kāi)關(guān)，切到RX mode（這意味著沒(méi)有電流通過(guò)TX 復(fù)制塊），電流通過(guò)RX復(fù)制塊和外部校準(zhǔn)電阻，Vswitch信號(hào)會(huì)控制多路復(fù)用器并將其路徑打開(kāi)，

將RX復(fù)制塊的電壓送到比較器中；在下個(gè)階段邏輯控制模塊，開(kāi)始增加6-bit的校準(zhǔn)代碼（Vcal）并改變RX復(fù)制塊的阻抗，精確校準(zhǔn)依賴(lài)于校準(zhǔn)bit位（bit位越多，校準(zhǔn)的就越精確），校準(zhǔn)復(fù)制塊時(shí)，將從最高值（vcal=000000）開(kāi)始，此時(shí)復(fù)制塊的阻值大約是300ohm，在校準(zhǔn)結(jié)束后，復(fù)制塊的阻值最小，因?yàn)樗械碾娮鑒locks都是打開(kāi)，并且是并聯(lián)狀態(tài)（Vcal=111111）。阻值也會(huì)落到150ohm，校準(zhǔn)step將會(huì)有63步。

Nstep=2^n-1

Vext是校準(zhǔn)電阻的正相輸入（外部壓降是200*Iref），RX復(fù)制模塊的電流也是恒定的（等于Iref），但是其實(shí)際阻抗在校準(zhǔn)期間是在減小的，因此RX復(fù)制塊的壓降也在減小，同時(shí)，當(dāng)復(fù)制塊的壓降達(dá)到外部參考電壓時(shí)（Vact=Vext），比較器的輸出會(huì)從0切到1（Vcomp=1）,此時(shí)邏輯模塊將會(huì)停止減小校準(zhǔn)碼（Vcal），并將固定的校準(zhǔn)碼存儲(chǔ)在寄存器中，這個(gè)校準(zhǔn)碼將會(huì)從寄存器中傳輸給真正的輸入端接模塊，提供固定的50ohm電阻（RX復(fù)制塊的1/4）。