（微电子学与固体电子学专业论文）lvds（lowvoltage+differential+signaling）设计及应用.pdf

摘要 低电压差分信号( l v d s ) 高速i 0 接口单元当前c m o s 电路设计中的重要研究 课题。它在减小c m o s 芯片内外速度差异、实现高速数据传输方面具有独特的优势 和作用。本文重点研究l v d s 高速i o 接口单元的设计技术，完成一种基于中芯国 际0 1 3 u mc m o s 工艺的6 2 2 m b p sl v d s 驱动器的设计。 论文首先介绍了l v d s 接口的基本原理和电特性，通过与其他接口技术进行对 比，分析了l v d s 接口在高速数据传输应用方面的优势，结合实例给出了l v d s 接口 电路的设计原则。论文着重分析了几种l v d si o 接口单元的基本电路结构及其工 作原理，给出了用h s p i c e 工具进行模拟验证的结果。基于中芯国际0 1 3 u mc m o s 工艺，完成了中芯国际l v d s 系列产品中6 2 2 m b p sl v d s 驱动器的设计，实现了从电 路设计、仿真、版图、后仿真优化、一直到最后的流片等整套l v d s 产品的开发过 程。设计过程参照国际通用标准，保证了产品的通用性。 关键词：低电压差分信号( l v d s )接口电流镜差分放大器带隙基准 a b s t r a c t l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ( l v d s ) ，ah i g hs p e e di oi n t e r f a c e ，i so n e i m p o r t a n tr e s e a r c hp r o b l e mo fr e c e n tc m o sc i r c u i td e s i g n i th a si n i m i t a b l es u p e r i o r i t y a n df u n c t i o no na c h i e v i n gh i g hs p e e dd a t at r a n s f e r i nt h i sp a p e lr e s e a r c ho nd e s i g n t e c h n o l o g yo fl v d sh i g hs p e e di oi n t e r f a c ei sd i s c u s s e d ；i ta l s oc o n t a i n sa6 2 2 m b p s l v d st r a n s m i t t e rd e s i g nw h i c hi sb a s e do ns m i c0 1 3 u r nc m o sa r t s i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l ea n de l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o no f l v d si n t e r f a c e ；b yc o m p a r i n gw i t ho t h e ri n t e r f a c et e c h n o l o g y , a n a l y z et h es u p e r i o r i t y o fl v d so nh i 曲s p e e dd a t at r a n s f e r i nt h ea r t i c l ew ea l s oa n a l y z es o m ee x a m p l e so f l v d sf oi n t e r f a c ec i r c u i t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l ei nd e t a i l ，a n dg i v eo u tt h e s i m u l a t i o n r e s u l t sa sw e l la sv e r i f i c a t i o nu s i n gh s p i c es i m u l a t i o nt 0 0 1 a c c o m i p l i s ha6 2 2 m b p s l v d st r a n s m i t t e rd e s i g n , o n eo fp r o d u c t so fs m i cl v d ss e r i e s ，b a s e do ns m i c o 1 3 u mc m o sa r t s a c t u a l i z eat o t a lp r o c e s so fl v d sp r o d u c td e v e l o p m e n tf r o m c i r c u i t s d e s i g n 。p r e l a y o u ts i m u l a t i o n ，l a y o u td e s i g n ，p o s t l a y o u t s i m u l a t i o na n d o p t i m i z et mt ot h ef i n a lt a p e o u t t h ee n t i r ed e s i g nf l o wr e f e r st oi n t e r n a t i o n a lg e n e r a l c r i t e f l o nw h i c he n s u r e st h eg e n e r a la c c e p t a n c ea n du s e k e y w o r d ：l o wv o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ( l v d s )i n t e r f a c ec u r r e n tm i r r o r d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r b a n d g a p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科 技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：专f 立艺 日期：z 。 7 - 2 9 - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在 本人签名：喜，立缸 导师繇鹩潞考“ 年解密后适用本授权书。 日期：2 p 口7 2 厂 日期：2 t 印 第一章绪论 第一章绪论 1 1l v d s 的概念 低电压摆幅的差分信号( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g , 简称l v d s ) 接口又 称r s 一6 4 4 总线接口，是2 0 世纪9 0 年代才出现的一种数据传输和接口技术。它使 得数据能在差分传输线对或平衡电缆上以几百兆比特秒的速率传输。l v d s 是用于 高速数据传输的通用接口标准。 该技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一 点对多点的连接，其传输介质可以是铜质的p c b 连线，也可以是平衡电缆。l v d s 在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用。 目前，流行的l v d s 技术规范有两个标准：一个是t i a e i a ( 电讯工业联盟电 子工业联盟) 的a n s i t i a e i a 一6 4 4 标准，另一个是i e e e1 5 9 6 3 标准。在 a n c v i i a e i a2 6 4 4 标准中就建议了6 5 5 mb p s 的最大速率和1 9 2 3 g b p s 的无失 真媒质上的理论极限速率。 图1 1 为l v d s 的原理简图，其驱动器由一个恒流源( 通常为3 5 m a ) 驱动一 对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗( 几乎不会消耗电流) ，所 以几乎全部的驱动电流将流经1 0 0 q 的终端电阻在接收器输入端产生约3 5 0 m y 的 电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效 的”0 ”或”l 逻辑状态。 -v 幽1 1l v d s 的原理简图 一2 l v d s ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 1 2l v d s 技术的特点 l v d s 技术之所以能够解决目前物理层接口的瓶颈，正是由于其在速度、噪 声e m i 、功耗、成本等方面的优点。 高速传输能力：l v d s 技术的恒流源模式低摆幅输出意味着l v d s 能高速驱 动，例如：对于点到点的连接。传输速率可达8 0 0 m b p s ；对于多点互连f r 4 背板， 十块卡作为负载插入总线，传输速率可达4 0 0 m b p s 。 低噪声低电磁干扰：l v d s 信号是低摆幅的差分信号。众所周知，差分数据 传输方式比单线数据传输对共模输入噪声有更强的抵抗能力，在两条差分信号线 上电流以方向及电压振幅相反，噪声以共模方式同时耦合到两条线上。而接收端 只关心两信号的差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也相互抵 消，故比单线信号传输电磁辐射小得多。而且，恒流源驱动模式不易产生振铃和 切换尖锋信号，进一步降低了噪声。 低功耗：l v d s 器件是用c m o s 工艺实现的，这就提供了低的静态功耗；负 载( 1 0 0 q 终端电阻) 的功耗仅为1 2 m w ；恒流源模式驱动设计降低系统功耗， 并极大地降低了i c c 的频率成分对功耗的影响。与其相比，1 1 u c m o s 收发器的 动态功耗相对频率呈指数上升。 1 3l v d s 的发展及现状 1 9 9 5 年1 1 月，以美国国家半导体公司为主推出了a n s l ，n a e 认一6 4 4 标准。 1 9 9 6 年3 月，1 e e e 公布了i e e e1 5 9 6 3 标准。这两个标准注重于对l v d s 接口的电 特性、互连与线路端接等方面的规范，对于生产工艺、传输介质和供电电压等则 没有明确。l v d s 可采用c m o s 、g a a s 或其他技术实现，其供电电压可以从+ 5 v 到+ 3 3 v ，甚至更低；其传输介质可以是p c b 连线，也可以是特制的电缆。标准 推荐的最高数据传输速率是6 5 5 m b p s ，而理论上，在一个无衰耗的传输线上，l v d s 的最高传输速率可达1 9 2 3 g b p s 。 近年来，现代高性能微处理器的速度已经突破了1 g h z ，芯片问的传输速率 也达到几百兆赫兹，在c m o s 电路系统中进行6 0 0 mb p s 以上的信号传输已经不 可避免。在众多用于高速数据传输的接口电平形式中，只有l v d s 能够实现高速 度、低功耗、低噪声以及低成本的结合而无需折衷。因此，国际上对l v d s 及其 相关产品的研究开发十分活跃，各大公司均推出了l v d s 信号的a s i ci o 接口 单元产品系列，如国家半导体公司的d s 9 0 、d s 9 2 系列速度达到6 0 0 mb p s ，德 州仪器公司的s n6 5 l v d s 和s n7 5 l v d s 系列速度达到4 0 0 mb p s 6 0 0 mb p s ， 第一章绪论 f a r a d a y 公司的l v d s t 8 0 h 9 0 a 和f x l v t x 0 8 0 h a o a 系列速度达到6 0 0 mb p s 左右，富 士通公司的c e 6 1 、c e 7 1 系列的速度也达到了3 0 0 m h z 4 0 0 m h z 。这些产品在 高性能计算机、电讯、通讯、显示及消费电子等领域得到广泛的应用。l v d s 高 速i 0 接口单元是高性能计算机和通讯电子设备中重要的构件，直接影响到系统 性能。但是，国外把这些研究成果都作为核心机密。为了掌握高性能计算机中的 这项重要技术，我们必须研究开发具有自主知识产权的l v d si o 接口单元。 l v d s 高速i 0 接口单元包括l v d s 驱动器、l v d s 接收器和l v d s 偏置单元。 1 4l v d s 的典型结构 目前l v d s 产品主要有美国国家半导体公司全系列的l v d s 产品和德州仪器半 导体司的l v d s 产品系列。美国国家半导体公司这方面更具优势，其产品主要有 四种典型结构，是目前数据传输和交换常用的四种方式。l v d s 技术的应用领域也 日渐普遍。在高速系统内部、系统背板互连和电缆传输应用中，驱动器、接收器、 收发器、并串转换器串并转换器以及其他l v d s 器件的应用正同益广泛。接口芯 片供应商正推进l v d s 作为下一代基础设施的基本构造模块，以支持手机基站、 中心局交换设备以及网络主机和计算机、工作站之间的互连。 其典型结构： ( 1 ) 点到点结构。基本的发射和接收结构，用于两点间固定方向信号传输； ( 2 ) 点到多点结构。广播式总线结构连接多个接收端到一个发送端，常用于数 据分配； ( 3 ) 多点到多点结构。多点互连总线使点到点之间互连降到最少，同时提供双 向，半双工通讯能力，在同一时间，只能有一个发送器工作： ( 4 ) 矩阵开关结构。通常应用于需要非常高的信号交换通路的系统中，实现全 双工通信。 对应点到点或点到多点结构，有l v d s 线路驱动接收器和l v d s 串行解串 器( c h a n n c l l i n k ) 系列产品。对于多通道、宽带、大动态的数据传输，l v d s 串 行解串器将是很好的解决方案。雷达系统中，分系统之问的数据传输，分系统 内通过背板的数据传输应用l v d s 串行解串器将大大减少电缆、接插件以及p c b 背板的复杂度。这种产品在雷达系统中有很好的应用前景。 对应点对多点或多点到多点结构的应用，b u s l v d s 技术能最好地适应这些 应用。b u s l v d s 、m l v d s 线路驱动接收器系列的扩展，为多点应用场合而设计， 这时总线两端都终接电阻。b u s l v d s 驱动器提供约1 0 m a 的输出电流，因而能 被用于重负载的背板上，那里的等效阻抗低于1 0 0 q ，这罩驱动器会有3 0 5 0 q 范围的负载。在一些大的数据通信系统中，要构造大的高速背板，l v d s 技术是 3 一4 l v d s ( l o w v o r a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 最理想的解决方案。 1 5 本文主要工作 本文项目来源于中芯国际研发产品之一，在0 1 3 u m 下的传输速率为6 2 2 m b p s 的l v d s 驱动器电路的设计、版图、后仿真以及最后的流片。设计点路的内容包 括l v d s 驱动器从c o r e 至l j p a d 的i o 设计，以及其偏置电路的设计。 本文涉及两大电路的设计：一是6 2 2 m b p s 驱动器( d ( ) y o 电路的设计，在此设 计中将对其各个模块的功能以及其实现进行描述，以及整个驱动器的电特性性能 指标：二是驱动器的偏置电流电压源( c b g ) 的设计。介绍偏置电路的原理，以及公 式推导以至最后的仿真。最后介绍l v d s 驱动器在平板电视( f p dl i n k ) 中的应用。 本文各章安排如下：第一章介绍了l v d s 驱动器的基本原理以及电路设计应该 满足的电特性。详细介绍0 1 3 u m6 2 2 m b p sl v d s 驱动器的设计；第二章简单介绍 通常i o 的工作原理及特性；第三章分析了l v d s 接收器的基本原理以及电路设计 应该满足的点特性。第四章介绍l v d s 驱动器所用的偏置电路的基本原理，偏置 电压的计算以及带隙基准在此偏置电路中的应用。最后，第五章介绍此款l v d s 驱动器i o 在平板显示器f i a tp a n e ld i s p l a yf p e n ) 中的应用。 第二章i o 工作原理及特性 5 第二章i 0 工作原理及特性 2 1i o 工作原理 2 1 1 通用i o 工作原理 i o ( 1 n p u t o u t p u t ) 端口主要指小型机周边各种接口，诸如r s 2 3 2 端口( 串行 接口) 、并行端口、u s b 口、光纤通道接口等。 通常意义上的i o 有主要两个功能：( 1 ) 将信号从系统外部引脚( p a d ) 经过 降压输入到系统内核( c o r e ) ；( 2 ) 将信号从系统内核( c o r e ) 升压输出到系统 外部引脚( p a d ) 。由于内部和外部的条件各有不同，选用不同的标准i o 可以达 到所需电压之间的转换。系统内部器件( c o r ed e v i c e ) 使用较低电压，通常为 1 0 1 2 1 8 v ，相应的i o 器件( 1 0d e v i c e ) 使用较高电压，通常为5 3 3 2 5 v ， 本文所介绍的0 1 3 u ml v d s6 2 2 m b p s 驱动器的内部c o r e 所加的电压为1 2 v ， 其l o 部分所加的电压为2 5 v 。其示意图如图2 1 a 和b 所示。类似的i o 原理 在许多特殊l ，0 中都有用到。在本文所提到的l v d s 驱动器中也有涉及。 c c o e n r e n 图2 1 ai o 示意图a ! l v d s ( l o w - v o l t a g e d f f e r e n t i a ls i g i l a l i n g ) 设计及应用 2 1 2e s d 保护 j 图2 1 bf o 示意图b 静电多由绝缘体物体问互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生当它能量积 累到一定程度，防碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时，即发生剧烈放电。即静电放 电( e s d ) ，这时的最高电压可达几千乃至几万伏势必对静电敏感组件造成损害。 静电放电( e s o ) 及电气过载( e o s ) 对电子元器件造成损害的主要机理有：热二 次击穿：金属镀层熔融：介质击穿：气弧放电：表面击穿：体击穿等。 e s d 的特殊性：一是静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以未加保护也 不见得件件产品都会受到e s d 伤害，有一定的”偶然性；二是由于多数情况下e s d 能量都较小，所以受到e s d 伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏电增 加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显。 静电放电的模式以及工业测试标准：因e s d 产生的原因及其对集成电路放电 的方式不同，e s d 目前被分类为下列四类： ( 1 ) 人体放电模式( h u m a n b o d ym o d e l ，h b m ) ( 2 ) 机器放电模式( m a c h i n em o d e l m m ) ( 3 ) 组件充电模式( c h a r g e d - d e v i c em o d e l ，c d m ) ( 4 ) 电场感应模式( f i e l d i n d u c e dm o d e l ，f i m ) 其中主要放电模式在集成电路产品的e s d 规格如表2 1 所示： 第二章i o 工作原理及特性 7 表2 1 集成电路产品的e s d 规格 人体放电模式 机器放电模式组件充电模式 ( h u m a n - b o d y( m a c h i n e( c h a r g e d - d e v i c e m o d d )m o d d )m o d e d o k e y 2 0 0 0 v2 0 0 v1 0 0 0 v s a f e4 0 0 0 v4 0 0 v1 5 0 0 v s u p e r 1 0 0 ( ) o v1 0 0 0 v 2 】o v 人体放电模式( t r a m ) 的e s d 是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体 上已累积了静电，当此人去碰触到i c 时，人体上的静电便会经由i c 的脚( p i n ) 而 进入i c 内，再经由i c 放电到地去； 机器放电模式的e s d 是指机器( 例如机械手臂) 本身累积了静电，当此机器去 碰触到i c 时，该静电便经由i c 的p i n 放电； 组件充电模式是指i c 先因磨擦或其它因素而在i c 内部累积了静电，但在静 电累积的过程中i c 并未被损伤。此带有静电的i c 在处理过程中，当其p i n 去碰 触到接地面时，i c 内部的静电便会经由p i n 自i c 内部流出来，而造成了放电的 现象： f i m 模式的静电放电发生是因电场感应而起的。当j c 因输送带或其它因素 而经过一电场时，其相对极性的电荷可能会自一些l c 脚而排放掉，等i c 通过电 场之后，l c 本身便累积了静电荷，此静电荷会以类似c d m 的模式放电出来。 在微电子技术飞速发展的今天，在对i c 特性要求越来越高的情况下，尤其对于 复杂电磁环境中的i c ，怎样处理好e s d 的保护问题很值得我们去认真地考虑。 2 2 通常i o 的性能指标 i 0 工作的好坏主要由，+ ，一，匕，l 等许多性能指标来决定，表2 - 1 为某款i 0 部分性能指标。根据不同的驱动能力厶，l 可以分为很多档，这里 只是列举驱动电流为2 m a 情况下l ，l 的值。 s y m b o l p a r a m e t e rm i i i n o r f f lm a x v 1 i n p u th i g hv o l t a g e 1 7 v5 5 v 妇 i n p u tl o wv o l t a g e _ o 3 vo 7 v v t t h r e s h o l dp o i n t1 - 2 9 v1 3 9 v 1 5 v v t +s c h m i t tt r i gl o wt oh i g ht h r e s h o l dp o i n t1 5 8 v1 6 5 v1 7 1 v v t -s c h m i t tt r i g h i g ht ol o wt h r e s h o l dp o i n t0 9 5 v1 0 1 v1 0 6 v t j j u n c t i o nt e m p e r a t u r eo 2 5 1 2 5 8 l v d s ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 i li n p u tl e a k a g ec u r r e n t l u a l o zt r i s t a t eo u t p u tl e a k a g ec u r r e n tl u a r p u p u l l u pr e s i s t o r 5 7 k o h m7 3 k o h m1 1 2 k o h m r i dp u l l - d o w nr e s i s t o r5 7 k o h m 8 2 k o h m1 6 0 k o h m v o lo u t p u tl o wv o l t a g e i o l = 2 4 2 4 m a 0 4 v v o ho u t p u th i g hv o l t a g e l o u = 2 ，4 2 4 m a 2 4 v i o l l o wl e v e lo u t p u tc u i t e h v o l = 0 4 v2 m a2 ，4 m a3 9 m a4 8 m a i o h h j g hl e v e lo u t p u tc u r r e n t v o h = 2 4 v2 8 m a 5 6 m a 8 8 m a 2 m a 第三章l v d s 驱动器 9 第三章l v d s 驱动电路设计 3 1l v d s 驱动器的原理和性能指标 l v d s 驱动器电路的原理 6 如图3 1 所示，i s s 是3 5 m a 的恒流源，ml 、 m 2 、m3 和m4 是尺寸工艺相同的n m o s 管，v 1 和v2 是由同一输入c m o s 信号导出的互为反相的信号，输出o u t l 和o u t 2 在外部接阻值为1 0 0 0 h m 的终 端电阻，构成回路。当v 1 为高电平，v 2 为低电平时，m 1 和m 4 管导通，m 2 和 m 3 管截止，电流从o u t l 流向o u t 2 ，并产生3 5 0 m v 的压降：反之，当v l 为 低电平，v 2 为高电平时，m 2 和m 3 管导通，m 1 和m 4 管截止，电流从o u t 2 流向o u t l ，并产生3 5 0 m v 的压降。这样就把一个c m o s 信号转换成了l v d s 信号。 图3 1l v d s 驱动器电路原理不恿幽 在l v d s 系统中，采用差分方式传送数据，有着比单端传输方式更强的共 模噪声抑制能力。道理很简单，因为一对差分线对上的电流方向是相反的，当共 模方式的噪声耦合到线对上时，在接收器输入端产生的效果是相互抵消的，因而 对信号的影响很小。这在前面章节中已有详细推导，这里不再重复说明。这样， 就可以采用很低的电压摆幅( 见表3 1 ) 来传送信号，从而可以大大提高数据传 输速率和降低功耗。表3 1 是l v d s 驱动器的主要电特性参数。 l v d s ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 表3 1l v d s 驱动器直流与交流电特性 言濑 p a r a m e t e r c o n d i t i o n sm i n i m u mt y p i c a lm a x i m u m v 曲o u t p u tv o l t a g eh i g h ，v o rv o b r l o a d = 1 0 0 l q 1 5 1 4 7 5 m v v ao u t p u tv o l t a g el o w , v 0 4o rv e b r 1 0 a d = 1 0 0 q 1 5 9 2 5 m v i l o u t p u td i f f e r e n t i a lv o l t a g e r i o a d 二1 0 0 q 1 5 2 5 0 m v4 5 0 m v u o u t p u to f f s e tv o l t a g e r l o a d = 1 0 0 q 1 5 1 1 2 5 m v1 2 5 0 m v1 3 7 5 m v i a c h a n g ei ni ib e t w e e n 一0a n dr l o a d = 1 0 0 q 1 5 5 0 m v 1 5 0 m 1 v 舞 v c h a n g ei nv b e t w e e n 0 a n d 1 r l o a d = 1 0 0 q 1 5 5 0 m v i 媳i i b o u t p u tc u r r e n t d r i v e rs h o a e dt o 2 4 m a g r o u n d i m o u t p u tc u r r e n t d r i v e r ss h o o e d1 2 m a t o g e t h e r # 5 0 m v i j f o r s t e a d ys t a t e a n d 1 5 0 r a v f o r d y n a m i c 诹 p a r a m e t e rc o n d i t i o n sm i nm a x c l o c kc l o c ks i g n a ld u t yc y c l e2 5 0 m h z4 5 5 5 t f a l lv “f a l lt i m e ，2 0 - 8 0 r m = i o o q 1 5 2 6 0 p s 0 3 + t u 甜 t m v o ar i s et i m e 2 0 - 8 0 r 1 0 a d = l o o f j 1 5 2 6 0 p s o 3 t u i t i k w l l t p h h - 铀岫io rl t p h m 一i h l ，d i f f e r e n t i a l r 1 0 a d = 1 0 0 f 2 - * 1 5 5 0 p s s k e w 群弛f 括t h eu n i ti n t e r v a l ： 3 2 差分信号抗噪特性 从差分信号传输线路上可以看出，若是理想状况，线路没有干扰时，在 第三章l v d s 驱动器 发送侧，可以形象理解为： i n = i n 4 - l n 在接收侧，可以理解为： i n 4 - - i n - = o u t 所以： o u t = i n 在实际线路传输中，线路存在干扰，并且同时出现在差分线对上，在发送侧， 仍然是： i n = i n 4 - i n - 线路传输干扰同时存在于差分对上，假设干扰为q ，则接收侧： ( i n + 4 - q ) - ( i n - + q ) = i n + - l n = o u t 所以： o u t = i n 噪声被抑止掉。 上述可以形象理解差分方式抑止噪声的能力。在实际芯片中，是在噪声容限 内，采用“比较”及“量化”来处理的。 l v d s 接收器可以承受至少l v 的驱动器与接收器之问的地的电压变化 3 。 由于l v d s 驱动器典型的偏置电压为+ 1 2 v ，地的电压变化、驱动器偏置电压以 及轻度耦合到的噪声之和，在接收器的输入端相对于接收器的地是共模电压。这 个共模范围是：+ 0 2 v + 2 2 v 。建议接收器的输入电压范围为：0 v + 2 4 v 。 3 30 1 3 微米6 2 2 ml v d s 驱动器的设计 3 3 1l v d s6 2 2 m 驱动器电路设计 为了得到更好的信噪比( s n r ) ，驱动器和接收器的终端中间应该端接电阻。 偏置电流可以从要么偏置电流源( c b g ) 或者偏置电流镜( c b r ) 得到。l v d s 驱动 器的输入输出示意图如图3 2 所示。 坚l v d s ( l o w v o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i 印a l i n g ) 设计及应用 p i ni 是信号输入，两个控制p i n 是o e n 和p d n ，他们是用来定义驱动器的 工作状态的。这些引脚都是接在c o r e 逻辑上的，即使用c o r e 电压。另外两个 i n p u tp i n 为v b g r 和i r e f b 。这两个p i n 是用来连接带隙基准提供的参考电压 和连接偏置电流源( 镜) 产生的基准电流的。关于带隙基准将在第四章l v d s 偏 置单元内详细介绍。 l v d s 输出t x n ，t x p 的逻辑关系和输入以及控制p i n 的关系如表3 2 所示： 表3 2l v d s6 2 2 m 驱动器输入输出真值表 l n p u to u t p u t m o d e p d no e nit x pt x n oo1 o 0 u t p u t 1l10 1x01 p o w e rd o w noxxzz l v d s 驱动器电路主要分为升压单元、输入信号调整单元、l v d s 驱动单元、 反馈电路、输出信号调整单元以及e s d 保护电路主要六部分，如图3 3 所示。 图3 3l v d s 驱动器电路结构框图 第三章l v d s 驱动器 1 3 升压单元：这个单元主要完成的功能为将c o r e 内电压进行升压处理，信号l 为 内部电压为1 2 v 的比特率为6 2 2 m b p s 的高速数据信号，p d n 和o e n 信号同样 也是1 2 v 。p d n 为低电平时，l v d s 输出高阻态，其用处使当其和其他i o 结 合使用的时候输出不影响其他y o 的正常输出，不造成漏电等等负面效应。当p d n 为高电平时，使o e n 和i 的后续逻辑正常工作。o e n 为高电平时，将i 关断， 输出为低电平，此时l v d s 因为没有输入而不工作；o e n 为低电平时使i 通 过升压单元输出l i ，此时为2 5 v 的比特率为6 2 2 m b p s 的高速数据信号，此时 信号因为升压，不一定立刻满足占空比5 0 ，所以需要后面的输入信号调整单元 对其进行信号改善。 输入信号调整单元：该单元主要功能为将输入的经过升压后的i i 信号进行改 善，恢复成其输入的数据( 包括最小数据宽度，数据组成等等) 。并将该数据进行 复制和反向输出i l i 和肼，该输出信号用来进行对l 、r d s 驱动单元进行开关驱动。 l v d s 驱动单元：该部分为差分信号产生单元，电路原理框图如3 4 所示。 v d d 图3 4l v d s 驱动单元示意图 l v d s 驱动器输入分别来自输出信号调整单元和输入信号调整单元，后面 1 0 0 0 h m 的电阻是端接在u ，d s 接收器上的。其中来自输入信号调整单元的有控 制四个m o s 管开关的四路信号，电流源来自输出信号调整单元。因为l v d s 的 s p e c i f i c a t i o n 要求输出的差分信号幅值介于2 5 0 m v 和4 5 0 m v 之间，所以通过 1 0 0 0 h m 的电流典型值这里设为3 5 m a 。其工作原理在3 2 中已经谈过，这里不 在赘述。 反馈电路：该模块主要是把输出的两路信号所涉及到的o f f s e t 电压( 在l v d s s p e c i f i c a t i o n 中有所要求) 进行反馈，使其稳定在1 2 v 左右。 输出信号调整单元：该模块主要完成两个功能： 一1 4 l v d s ( l o w - v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 l v d s 驱动器将电流源进行镜像，负责给驱动器提供3 5 m a 的电流， 将反馈单元输出的v o s 电压和带隙基准输出的基准电压进行比较、放大，形 成负反馈，和反馈电路共同将输出的v o s 电压稳定在1 2 v 左右。 e s d 保护电路：因为l v d s 输出t x p ，t x n 值接连到外界，所以有风险产生 静电放电现象，所以在输出的p i n 上设置e s d 保护是十分有必要的。 3 3 2l v d s6 2 2 m 驱动器电路理想网表仿真 该l v d s6 2 2 mb p s 驱动器电路的设计及理想网表的提取是在u n i x 平台下 使用c a d e n c e 公司的v i r t u s o 完成的，提取的网表为h s p i c e 格式。使用的仿真工 具是m e n t o r 公司的e l d o 和e z w a v e 。在对该电路进行仿真时，仿真电流源时，分 别验证了电流源用到的放大器的共模噪声抑制比( c m r r ) ，电源噪声抑制比 ( p s r r + - ) ，以及放大器的开环增益，达到了较好的效果。仿真传输器时，验证 了其用到的两极放大器的相位裕 ( p h a s em a r g i n ) ，仔细仿真了在 t y p i c a l t y p i c a l ( t f ) ，s l o w s l o w ( s s ) ，f a s t f a s t ( 聊以及 s n f p , f n s p ，温度 o - 1 2 5 c ，v d d ，v c c 正负1 0 情况下传输器的工作情况，符合 a n s i t i a e i a 5 4 4 a - 2 0 0 1 标准。 电流源的中放大器各项性能仿真结果如图3 5 到3 1 0 所示： 图3 5 电流源中放大器的共模抑制比( c m r r ) 第三章l v d s 驱动器 图3 5 为电流源中放大器的共模抑制比( c m r r ) ，其测试方法是将放大器的 输入分别接帽同的输入信号( 共模) v c 以及不同的两路信号( 差模) v d ，差模中一 路信号为共模输入的信号，放大器输出的两路输出分别为v o c 和v o d ，共模增益 为a c = v o c v c ，差模增益a d = v o d v d ，共模抑制比定义为：c m r r = 2 0 1 0 9 i _ a d a c l 。 对其进行a c 扫插，将c m r r 单独显示出来的到图3 5 图中的5 根曲线分别在 t l s s ，f f , s n f p , f n s p 的情况下分别测得的c m r r 曲线。 其激励文件主要部分见附录1 。 可以看出在频率范围 1 1 0 7 h z 之内，放大器的共模掷制比在除了f f 情况 下均在6 0 d b 之上，f f 情况也能达到5 5 d b 以上，说明该放大器具有较好的共模 抑制比c m r r 。 图3 6 为电流源中放大器的电压噪声抑制比( p s r r + ) ，p s r r + 代表给v d d 上加噪声。其测量方法为在输入的v d d 上加上一交流小噪声，对其进行a c 扫描， 可以看到在近似频率范围 1 1 0 6 h z 时电压v d d 上的噪声对输出的噪声对其输出 的影响小于一6 0 d b 。说明该放大器对电源v d d 上豹噪声干扰机制比较好。其测量方 法见附录2 图3 6 电流源中放大器的电压噪声抑制比( p s r r + ) 图3 7 为电流源中放大器的电压噪声抑制比( p s r r ，) ，其测量方法为在输入 的v s s 上加上一交流小噪声，对其进行a c 扫描，可以看到在近似频率范围 1 1 0 6 h z 时电压地上的噪声对输出的影响小于- 6 0 d b 。说明该放大器对电源v s s 上的 噪声干扰机制比较好。其测量方法见附录3 图3 7 电流源中放大器的电压噪声抑制比( p s r r 一) 图3 8 为电流源中放大器的开环增益，在频率范围 v 2 ，由于l s s = i d l + l d 2 ，则 i d l 要增加，i d 2 要减少，i d l 的增大意味着i d 3 和l d 4 也增大，因此要使电路平衡， l o u t 必须为正：同样可知，当vi v2 时，i o u t 将变为负。总之，l o u t 的大小将等 于i d l 减去i d 2 的差值。当差分放大器输出端接有负载时，通过负载可把电流输 出转变为电压输出。 圈5 1c m o s 差分放大器工作原理图 普通l v d s 接收器的电路如图5 2 所示，差分输入信号i n l 、i n 2 加在差分 l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 设计及应用 输入n m o s 管m 1 和m 2 的栅极上，负载p m o s 管m 3 和m 4 则构成电流镜，电 流源n m o s 管m 5 直接由信号c 控制，正常工作时，c 连到v d d 。 上 图5 2 普通l v d s 接收器电路 表5 1 是接收器的主要电特性参数。 表5 1l v d s 接收器电特性 d ce l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o n s 茸勃蜊 p a r a m e t e rc o n d i t i o n sm i n i m u mm a x i m u m v ji n p u tv o l t a g er a n g e ，v i ao rv i bl v 酬i 9 2 5 m v 02 4 0 0 m v v i d t h i n p u td i f f e r e n t i a lt h r e s h o l dl v 叫i 9 2 5 m v 1 0 0 m v+ 1 0 0 m v r m r e c e i v e rd i f f e r e n t i a li n p u ti m p e d a n c e 9 0 q1 3 2 q 5 2 基本l v d s 驱动器于接收器的连接 传输l v d s 信号需要将l v d s 驱动器和接收器互连，一般有两种点到点连接 的情况，分别如图5 3 和图5 5 所示。 第一种连接情况如图5 3 所示，d