基于電流模式邏輯實(shí)現(xiàn)前端1：2解復(fù)用電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者：鄧軍勇，蔣林，曾澤滄

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(xiàn)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(shì)在必行。數(shù)據(jù)的傳輸方式，由于并行信號(hào)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(pán)接口、背板連接等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

為了克服時(shí)鐘的最大翻轉(zhuǎn)頻率受到工藝限制的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度以及時(shí)鐘分布的難度，實(shí)現(xiàn)更高的速率，同時(shí)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(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路中的前端1：2解復(fù)用電路，采用SMIC 0.18 um模擬混合信號(hào)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(hào)還原為若干路低速信號(hào)，常用結(jié)構(gòu)包括串行、并行、樹(shù)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(jiǎn)單，時(shí)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(shí)鐘頻率上，其工作速度會(huì)制約電路的速度，因此串行結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)帶來(lái)芯片功耗增加、電平擺幅減小，噪聲容限變小等問(wèn)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(duì)觸發(fā)器速率要求小，因此功耗較低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(duì)于1：N解復(fù)用而言，N個(gè)并行連接的觸發(fā)器對(duì)前級(jí)電路構(gòu)成很大的電容負(fù)載，是速率提升變得困難；樹(shù)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(gè)電路較前兩種結(jié)構(gòu)有高速低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于采用半速率結(jié)構(gòu)的高速串行收發(fā)器而言，整個(gè)電路性能主要受前端1：2解復(fù)用電路的限制，同時(shí)考慮到為了增強(qiáng)信號(hào)可靠性，待處理的輸人數(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(lèi)并行結(jié)構(gòu)，如圖1所示，上下兩個(gè)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(shí)鐘。

圖1 差分輸入互補(bǔ)時(shí)鐘的1：2解復(fù)用電路原理圖

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(hào)擺幅情況下工作在更高的頻率?；贑ML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(kāi)關(guān)使用，在時(shí)鐘 CKP為低電平期間截止，由N2L、N3L、P1L和P2L構(gòu)成的輸入級(jí)處于保持模式，N4L和N5L的漏極被充電到高電平；在時(shí)鐘CKP為高電平期間導(dǎo)通，輸入級(jí)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(duì)前級(jí)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(gè)晶體管構(gòu)成平衡負(fù)載電路，可以保證N4L和N5L輸出線(xiàn)上的負(fù)載對(duì)稱(chēng)。輸入數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)控制下送到輸出Dout，輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)反相。

圖2 解復(fù)用電路單元原理圖

圖3 解復(fù)用單元電路仿真結(jié)果

對(duì)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(xiàn)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(shí)間和下降時(shí)間為tr=tf=40 ps的脈沖電壓源作為時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘的第二個(gè)高脈沖開(kāi)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。從第二部分可以看出基于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、clkQN為互補(bǔ)時(shí)鐘，clkI與clkIQ為正交時(shí)鐘，DinP和DinNer位差分 輸入的2.5Gbps串行數(shù)據(jù)，DmP與DmN、DsP與DmN為1：2解復(fù)用后的兩路1.25Gbps查分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖4 差分輸入差分輸出的1：2解復(fù)用電路原理圖

圖5 整體解復(fù)用電路的仿真波形圖

采用SMIC 0.18um模擬混合信號(hào)工藝完成電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)圖4所示解復(fù)用單元進(jìn)行仿真。由于 分段線(xiàn)性電壓源在表示數(shù)據(jù)時(shí)特別繁瑣，而且單個(gè)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(yǔ)言編寫(xiě)的偽隨機(jī)序列 ，采用Cadence的SpectreVerilog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(shí)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(lèi)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SMIC O.18 um混合信號(hào)工藝完成了電路設(shè)計(jì)，并采用SpectreVerilog進(jìn)行了數(shù)?；旌戏抡妫Y(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。

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