2.5 Gbps收发器中1∶2解复用电路的设计
发布时间:2020-06-24
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2.5 Gbps收发器中1∶2解复用电路的设计
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高速通信系统已经在世界范 围内进入大规模建设阶段,大量的信息交互促进了通信和计算机技术的迅猛发展,高速干线系统作为信息高速公路的主干,研究设计其所采用的高速芯片势在必行。数据的传输方式,由于并行信号彼此之间的耦合与串扰限制了其工作速度和传输距离,而串行方式节约传输媒介,降低了系统互连的复杂性,传输速率更高、距离更远,已在芯片之间、处理器与外设之间、高速硬盘接口、背板连接等领域广泛应用。

  为了克服时钟的最大翻转频率受到工艺限制的缺点,简化电路设计的复杂度以及时钟分布的难度,实现更高的速率,同时尽量降低系统功耗,半速率电路结构逐步取代全速率结构。本文根据2.5Gbps高速串行收发器的工作实际,为降低后续电路设计难度,采用工作速率较高的电流模式逻辑(Current Mode Logic,CML)设计了双环时钟数据恢复电路中的前端1:2解复用电路,采用SMIC 0.18 um模拟混合信号工艺实现并基于SpectraVerilog进行数模混合仿真,结果显示电路可以正常工作,符合预期要求。

  1 解复用电路单元

  解复用电路把一路高速信号还原为若干路低速信号,常用结构包括串行、并行、树形以及上 述3种结构的组合形式。串行解复用电路结构简单,时序关系清楚,可以实现任意1:N的解复用功能,但所有触发器工作在输入时钟频率上,其工作速度会制约电路的速度,因此串行结构对触发器设计和工艺的要求较高,而提高触发器速率会带来芯片功耗增加、电平摆幅减小,噪声容限变小等问题,因此常用于低速系统中;并行结构中触发器工作在输出数据速率上,对触发器速率要求小,因此功耗较低、设计简单,兼顾了速度与功耗,是1:2解复用电路的理想结构,但对于1:N解复用而言,N个并行连接的触发器对前级电路构成很大的电容负载,是速率提升变得困难;树形解复用电路充分利用1:2并行解复用电路的优点,使整个电路较前两种结构有高速低功耗的优点。

  对于采用半速率结构的高速串行收发器而言,整个电路性能主要受前端1:2解复用电路的限制,同时考虑到为了增强信号可靠性,待处理的输人数据为差分数据,本文设计的1:2解复用电路采用类并行结构,如图1所示,上下两个电路为采用电流模式逻辑结构的解复用电路单元,输入为差分数据和互补时钟。

  图1 差分输入互补时钟的1:2解复用电路原理图

  电流模式逻辑电路相比传统的CMOS电路可以在更低的信号摆幅情况下工作在更高的频率。基于CML的解复用电路单元原理图如图2所示,其工作原理可以描述为:NMOS管N1L可以看做开关使用,在时钟 CKP为低电平期间截止,由N2L、N3L、P1L和P2L构成的输入级处于保持模式,N4L和N5L的漏极被充电到高电平;在时钟CKP为高电平期间导通,输入级处于透明状态,电路接 收差分输入数据Din_P和Din_N.电路中由P4L和P6L构成的正反馈电路对前级起到锁存作用,可以加速输出数据的翻转,提高转换速率;左下角的8个晶体管构成平衡负载电路,可以保证N4L和N5L输出线上的负载对称。输入数据在时钟信号控制下送到输出Dout,输出数据与输入数据反相。

  图2 解复用电路单元原理图

  图3 解复用单元电路仿真结果

  对图1所示的解复用模块进行仿真,输入为由互补的PWL分段线性源指定的位周期为400 ps的差分数据,采用周期T=800 ps,上升时间和下降时间为tr=tf=40 ps的脉冲电压源作为时钟信号,仿真结果如图3所示。从图中可以看出有效数据部分从时钟的第二个高脉冲开始,从仿真结果可知,解复用电路可以正常实现数据1:2的串并转换。

  2 用于高速收发器的解复用电路

  在高速串行收发器的接收端,为了保证数据的鲁棒性和电路工作的可靠性,数据采用差分形 式。从第二部分可以看出基于CML的1:2解复用电路可以正常工作,因此可以以此为基础搭 建用于高速差分串行数据半速率收发器的前端1:2解复用电路。电路原理图如图4所示。其 中clkI与clkIN、clkQ、clkQN为互补时钟,clkI与clkIQ为正交时钟,DinP和DinNer位差分 输入的2.5Gbps串行数据,DmP与DmN、DsP与DmN为1:2解复用后的两路1.25Gbps查分数据。

  图4 差分输入差分输出的1:2解复用电路原理图

  图5 整体解复用电路的仿真波形图

  采用SMIC 0.18um模拟混合信号工艺完成电路设计,现对图4所示解复用单元进行仿真。由于 分段线性电压源在表示数据时特别繁琐,而且单个指定数据难以保证仿真的随机性和全面性 ,故而这里采用数模混合的方法进行仿真。输入数据采用VerilogHDL语言编写的伪随机序列 ,采用Cadence的SpectreVerilog进行仿真。仿真结果如图5所示,比较输入数据和由主时钟 采样输出的数据,可以看出电路的解复用操作是正确的。

  3 结论

  本文描述了解复用电路的 传统设计方法并分析了各自特点,根据2.5Gbps高速串行收发器的应用实际,采用类并行结构、基于电流模式逻辑设计了收发器的前端解复用电路,并分析了其工作原理,采用SMIC O.18 um混合信号工艺完成了电路设计,并采用SpectreVerilog进行了数模混合仿真,结果表明该电路在2.5Gbps收发器电路中可以稳定可靠地工作。

来源:维库电子市场网
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