（微电子学与固体电子学专业论文）cmos高速串行数据接收器的研究和设计.pdf

复1 3 博十学位论文摘要 摘要 串行数据通信在网络传输、背板连接和i o 接口等领域应用非常广泛。不断 增加的网络带宽需求已使数据传输率达到g b s 以上，系统集成、低成本和低功 耗的要求则需要在c m o s 工艺中实现高速串行收发器。论文的主要工作是研究 和设计单片集成的c m o s 高速串行数据接收器。 首先，分析了高速数据传输系统中的一些设计考虑。其中包括电压噪声和时 序噪声的产生和抑制；通过对传输介质的特性分析，提出了信道均衡中的电路设 计：在接收器时钟恢复中分析了基于两种不同鉴相器的结构选择。论文中两个不 同接收器电路的设计也印证了这些考虑。 然后，重点介绍了一种单片集成的1 2 5 一g b p s 以太网接收器的设计和实现。 为了降低系统和时钟电路的设计难度以及节省功耗，接收器体系采用了半速时钟 的结构。为了补偿信号传输中的高频损失，在接收器前端设计了一种基于干兆铜 缆连接的可编程固定均衡器和- i , 增益可调的有源均衡器电路。在时钟数据恢复 中利用线性环路的优点，改进了一种易于和电荷泵锁相环相结合的半速线性鉴相 器。并相应设计了一种简单实用的半速串并转换电路和同步c o m m a 检测电路， 缓解高速下的时序紧张。基于o 1 8i x mc m o s 工艺下的仿真，证明上述改进是有 效的。实验芯片采用0 1 8m1 p 6 mc m o s 数字工艺实现，接收部分的有源面积 为1 2 x1 0m m 2 。测试结果表明前端均衡器在1 2 5g b s 速率下给出了比较理想 的数据波形，恢复时钟抖动的标准偏差为8p s ，接收器内核电路在1 8v 电源电 压下功耗约为6 0m w 。 接着，研究了更高速率下1 0 g b i t 以太网接收器的实现结构，介绍了一种四 通道3 1 2 5 g b p s 串行数据接收器的设计。电路采用了多相时钟结构和并行采样 技术以降低电路速度要求：电荷泵采用了常跨导偏置技术以降低环路对工艺、电 源电压和温度变化的敏感；时钟数据恢复电路采用l 5 速率时钟降低振荡器的设 计难度，并同时完成l ：5 解串功能，节省电路功耗：在并行输出驱动器中，利用 片上电流参考节省了传统结构中的一个外接电阻。电路采用0 1 8g mc m o s 工艺 设计和仿真，总体功耗为9 5m w ，6 2 5m h z 恢复时钟的抖动峰峰值小于6 5p s ， 电路在3 1 2 5g b s 的数据率和各种工艺角下工作f 确。 最后，对论文工作进行了总结，并提出了今后工作的建议。 关键词：串行数据通信：接收器：半速时钟结构；并行采样技术：双坏路结构 均衡器：采样器：时钟数据恢复：鉴相器；串并转换及c o m m a 检测 复口人学博十￥：何论a b s t r a c t a b s t r a c t s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o nh a sg a i n e dw i d ea p p l i c a t i o ni nn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ， b a c k p l l a n et r a n s c e i v e ra n di o i n t e r f a c e t h ee v e r - i n c r e a s i n gd e m a n df o rb a n d w i d t h h a sp u s h e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nd a t ar a t e so v e rm u l t i g b s s y s t e mi n t e g r a t i o n ， l o w e rc o s ta n dl o wp o w e rr e q u i r e m e n t sh a v em a d et h ec m o st h et e c h n o l o g yo f c h o i c e sf o rs e r i a lt r a n s c e i v e r s t h em a i nw o r ko ft h et h e s i si sr e s e a r c ha n dd e s i g no f h i g h s p e e ds e r i a lr e c e i v e r f i r s t ，s o m ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n so fh i g h s p e e ds e r i a ll i n ka r ea n a l y z e d ，w h i c h i n c l u d ei n f l u e n c e so fv o l t a g en o i s ea n dt i m i n gn o i s e ，t r a n s m i s s i o nm e d i u ml i m i t a t i o n a n dc a b l ee q u a l i z a t i o n ，t h et y p eo fp h a s ed e t e c t o ri nc l o c kr e c o v e r y t h et w od e s i g n e x a m p l e sg i v e ni nt h i st h e s i sa r ec o r r e s p o n d i n gt ot h e s ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n s s e c o n d ，af u l l yi n t e g r a t e d1 2 5 g b p sc m o se t h e r n e tr e c e i v e rw i t hh a l f - r a t e a r c h i t e c t u r ei si m p l e m e n t e di n t h i sw o r k t h eh a l f - r a t ea r c h i t e c t u r ei s a d o p t e dt o r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fc l o c kd e s i g na n ds a v ep o w e r ad i g i t a l l y p r o g r a m m a b l e e q u a l i z e ra n da na c t i v ec o n t i n u o u s t i m ee q u a l i z e rh a v eb e e nd e s i g n e di nt h er e c e i v e r f r o n t e n dt oc o m p e n s a t ef o rt h el o s so ft h ec a b l e ，a ni m p r o v e dh a l f - r a t el i n e a rp h a s e d e t e c t o re x t r a c t st h ec l o c kf r o mt h ee q u a l i z e dd a t aw i t hs m a l l e rr i p p l eo nt h eo s c i l l a t o r c o n t r o ll i n e ，a n dh e n c el o w e rj i 札e ta s i m p l eb u tp r a c t i c a ld e s e r i a t i z e rd e m u l t i p l e x e d t h er e t i m e dd a t aw i t has y n c h r o n o u sc o m m ad e t e c t i o nu s i n gt h es a m ed y n a m i cc e l l b a s e do n0 18p mc m o s p r o c e s s ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ea b o v em o d i f i c a t i o n s a r ee f f e c t i v e f a b r i c a t e di na0 18u md i g i t a lc m o st e c h n o l o g yi na na r e ao f1 2 1 0 m m 2 ( r e c e i v e r ) ，t h ec i r c u i te x h i b i t sg o o dr e s u l t so fe q u a l i z e dd a t a ，a8 p sr m sj i t t e r v a l u eo f r e c o v e r e dc l o c k ，a n dd i s s i p a t e s6 0m v ( c o r ec i r c u i t ) f r o ma1 8v s u p p l y t h i r d ，t h ea r c h i t e c t u r eo fq u a dc h a n n e l10 g b i te t h e r n e ti n t e r f a c ei si n v e s t i g a t e d a n dt h ed e s i g no fa3 1 2 5 一g b p ss e r i a lr e c e i v e ri sd e s c r i b e d t h em u l t i p h a s ec l o c k g e n e r a t o r a n d p a r a l l e ls a m p l i n gp h a s e d e t e c t o ra r eu s e dt or e d u c et h e s p e e d r e q u i r e m e n t s e l f - b i a s e dc o n s t a n t - g mb i a s i n gt e c h n i q u e i su s e df o r c h a r g e p u m p p h a s e l o c k e dl o o pt oa c h i e v el o ws e n s i t i v i t yt ot h ev a r i a t i o no fe n v i r o n m e n t s t h e c l o c ka n dd a t ar e c o v e r yc i r c u i t e x p l o i t s 1 5 一r a t ec l o c kt e c h n i q u et of a c i l i t a t et h e d e s i g no ft h er i n g o s c i l l a t o ra n de l i m i n a t et h en e e do f1 ：5 d e m u l t i p l x e r , t h e r e b y a c h i e v i n gl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ee m b e d d e dc u r r e n ts o u r c ei su s e di np a r a l l e l o u t p u ti m p e d a n c ec o n t r o lt oe l i m i n a t ea ne x t e r n a lr e s i s t o r t h ec i r c u i th a sb e e n d e s i g n e da n ds i m u l a t e di no 18g mc m o sp r o c e s s t h ep o w e rd i s s i p a t i o ni s9 5m w ： i i 复口博十学位论文摘要 w h i l et h et o t a lj i t t e ro fr e c o v e r e dc l o c ka t6 2 5m h zi sl e s st h a n6 5 p s p - pt h ec i r c u i t w o r k sw e l la t3 1 2 5 g b p sd a t ar a t ea n da l lp r o c e s sc o m e r s f i n a l l y , s u m m a r yo fp r e v i o u sw o r ka n ds u g g e s t i o nf o rf u t u r ew o r ka r eg i v e n k e y w o r d ：s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n ；r e c e i v e r ：h a l f - r a t ec l o c ka r c h i t e c t u r e ； d u a ll o o ps t r u c t u r e ；p a r a l l e ls a m p l i n gt e c h n i q u e ；e q u a l i z e r ：d a t as a m p l e r ；c l o c k a n dd a t ar e c o v e r yp h a s ed e t e c t o r ；d e s e r i a l i z e ra n dc o m m ad e t e c t 复u 人学博【：学位论文 1 1 论文研究的背景和意义 第一章引言 通信是人类社会传递信息、交流思想、传播文化知识不可缺少的一种予段，网 络是信息社会牛存的必要条件，快速发展的i n t e r n e t 、数据库以及可视化计算等多 媒体应用要求有更为充裕的网络带宽【1 】。随着集成电路性能的不断提高和网络技 术的日益发展，数据传输利交换量越来越大，人们对通信带宽的需求也越来越高， 数据带宽已经成为限制系统整体性能的一个重要瓶颈。数据传输系统的低成本、低 误码率和高速通信造就了现代通信网络数字化、宽带化、综合化和智能化的发展方 向。在数据的传输中，串行和并行是一个基本的选择。并行传输可以同时传递同步 信号，但这种方式需要更多的传输媒介和复杂的板级布线，并行信号间的偶合利干 扰以及传输歪斜也制约了它的应用速度和传输距离。串行连接在节约传输媒介的同 时，减小了系统互连的复杂性，并使采用更好的传输媒介在成本上成为可能，从而 能够得到更高的数据传输速率。高速串行数据通信已成为处理器与外设瓦连、多芯 片间百连、高速硬盘接口、串行网络接口等的重要组成部分 2 】。 1 1 1 串行数据通信的应用 串行数据通信在网络传输、背板连接、i 0 接1 3 等领域应用非常广泛，传输连 接标准也涵盖了输入，输出接口( c h i p1 1 0 ) 、背板连接( b a c k p l a n e ) ，以及局域网 和广域网( l a n w a n ) 等各种应用范围，如图1 1 所示。举例来说包含了以下 些方面的应用。 图1 1 串行通信应用标准 光纤通信系统；在光纤网络通信中的例子辛要包括美国同步光纤网络 ( s o n e to c 4 8 o c 1 9 2 o c 7 6 8 ) ，国际同步数字体系( s d h ) ，通常更多地 第章引高 用在丰干网和城域网中。图1 2 给出了光纤接收器中的基本结构。它丰要由光检 测器、前置放大器、限幅放大器、时钟数据恢复电路，以及解复器组成 3 】。 图i 2 光纤接收器 以太网接口：以太网( e t h e r n e t ) 应该是一种最成功的计算机局域网技术了， 从早期的1 0 - m b s 低速以太网和1 0 0 一m b s 快速以太网，发展到1 0 0 0 m b s 以太网， 以及i e e e8 0 2 3 a e1 0 - g b s 以太网，以太网传输带宽随着社会发展不断快速增加。 图i 3 表示了串并一并串转换电路( s e r d e s ) 连接示意，以及收发器电路中的丰要功 能模块 4 】。 l ：”a t a l l c i 删d a t i i”n u 【i | 1 图1 3 以太嘲收发器 高速串行硬盘接口：串行a t a ( s a t a ) 的标准与以太网i e e e8 0 2 3 类似， 手要针对高速磁盘接口，增加了自适应阻抗匹配和频谱展宽电路。它是串行并行 选择的个典型例子，串行化点对点通信极大提高了通信速率以及传输的可靠性。 背板连接及高速输入输出接口：这部分包括芯片与芯片之间，计算机和外部设 备之间等的高速数据传输利i o 接口，如b a c k p l a n e 、l v d s 、r s d s 、u s b 2 0 等。 1 1 2 传输速率和网络带宽的不断增加 随着集成电路性能的不断提高和网络技术的日益发展，数据处理量和交换量越 来越大，人们要求数据传输的速率越来越快，对通信带宽的要求也越来越高，数据 带宽已经成为限制电路整体性能的瓶颈。图1 4 表示通道传输速率的发展趋势。在 表1 1 和1 2 中以光纤通信网络利以太网的发展为例，表明了人们对数据传输系统 的速率要求越来越高 5 6 】。传输速率的持续提高对物殚层收发芯片的设计不断提出 复旦大学博 ：学位论文 了更高的要求，对超高速集成电路设计工程师提供了新的机遇和挑战。研究和实现 单片集成的高速收发电路既是传输速率和网络带宽不断增加的需要，反过来它也将 推动数据传输系统的进一步发展。 图14 串行传输线数率 表1 1 光纤传输系统的发展 o p t i c a lc a r r i e rd e s i g n a t i o n b i tr a t e ( m b p s ) o c i5 1 8 4 o c 31 5 5 5 2 o c 1 2 6 2 2 ，0 8 o c 4 82 4 8 8 3 2 o c 1 9 29 9 5 3 2 8 o c 7 6 83 9 8 1 3 1 2 表i 2 以太刚的发展 y c a re t h e r n e t 1 9 8 5 1 0 m b s 低速以太刚 1 9 9 5 1 0 0 一m b s 快速以太刚 1 9 9 8 1 0 0 0 m b s 千兆以太嘲 2 0 0 2 1 0 - g b a s e 以太网 1 1 3c m o s 工艺中的实现 为了提供更为强大的计算能力和更大的通信带宽，芯片的工作频率也越来越 高。过去千兆以上的高速串行连接一般采用双极工艺，g a a s 工艺或者s i g e 异质结 工艺实现，它们的优势在于能够提供更高的器件工作频率。除去相对较低的截止频 率，c m o s 工艺在可利用性、系统集成、成本和功耗上都有更大的优势。c m o s 工艺的广泛使用，也使得c m o s 工艺相对于其它工艺发展更快。特性线宽的不断 减小，使c m o s 器件的工作频率越来越高，从而也使c m o s 技术能够应用在更高 第章引言 传输输率的通信系统中。电路结构上的改进也可以在特定工艺下实现更高的传输速 率。本文采用的半速时钟结构和多相时钟采样。都可以有效降低芯片上的时钟频 率，从而使电路能够在更高的数据率下工作。 1 2 论文的主要工作和创新 高速串行数据收发器是一个复杂的数模混合电路，涉及频率综合器、时钟数 据恢复电路、串并并串转换电路、线驱动器、均衡器、高速放大器、和并行输入 输出接口电路。论文的主要工作是c m o s 高速串行数据接收器的研究和设计。作 者在读博期间查阅了大量有关高速串行数据收发器的结构、电路实现以及设计考虑 的文献，系统的学习和研究了接收电路中均衡器、时钟数据恢复电路、串并转换电 路、信号检测电路以及输出接口电路等方面的相关的殚论知识利电路设计原理。在 导师的悉心指导和同组同学的帮助下，参与设计了： 1 5 - g b p s 串行硬盘接1 3 中时 钟分频电路和串并转换电路： 1 2 5 g b p s 以太网串行数据接收电路：四通道3 1 2 5 g b p s 以太网接收电路；完成了1 2 5 一g b p s 以太网接收电路的流片测试工作。 为了实现高速串行数据接收，论文的创新和改进丰要体现在以下几个方面：设 计了一种基于千兆铜缆连接的可编程固定均衡器利一种增益可调的有源均衡器电 路，其零极点频率可以通过可编程数字开关调节，高低频增益可以通过电容电阻值 控制：采用改进的半速线性结构设计了一种单片集成的1 2 5 g b p 串行数据接收器电 路，并利用同步c o m m a 检测缓解高速下的时序紧张，并得到了实验测试结果；研 究了1 0 g 以太网接收器的四通道实现结构，为克服器件本身工作速度的限制，设 计了一种多相时钟并行采样技术的3 1 2 5 一g b p s 串行接收器电路，采用常跨导偏置 和在输出缓冲器中利用电流参考节约传统结构中的一个外接电阻。 1 3 论文的组织结构 论文包括六章内容。第一章介绍了论文研究的背景和意义，以及论文丰要工 作；第二章以千兆以太网为例，从系统上介绍了高速数据传输系统的主要概念和电 气性能：第二章重点分析和研究了高速串行数据传输电路中的一些设计考虑：第四 章具体介绍了一种采用半速时钟结构的1 2 5 g b p s 以太网接收器的设计原理、电路 实现和测试结果：第五章介绍了种并行采样结构的四通道3 1 2 5 g b p s 串行接收 器的设计原理和电路实现，重点介绍了由于数据传输率进一步提高丽采用的不同的 电路实现：第六章是论文工作的总结。最后是参考文献和致谢。 复旦人学博i ：论文 第二章数据传输系统概述 从上个世纪8 0 年代到现在，网络通信取得了惊人的发展，极大改变了人们的 乍活。作为计算机局域网的一种，相对于令牌环和令牌总线等，以太网可以说是历 史上发展最成功的。本章首先以千兆位以太网为例来介绍了高速数据传输系统的基 本电路模块，并针对1 0 0 0 b a s e c x 和四通道1 0 - g b i t 以太网的应用和接收器设 计，简要介绍了以太网的网络模型以及通信标准，以及线路编码。 2 1 基带传输系统结构 所有现代以太网都是使用基带传输。摹带数字传输是一种将编码的位流直接送 入通信信道，而不是先调制到一个较高频率载波的方法。图2 1 给出了一个千兆以 太网摹带传输系统的摹本框图。可以看出它辛要的功能部件包括数字数据源和数字 接收源、发送机和接收机，以及传输信道。数字数据源利数字接收源一般由计算机 或终端及其应用软件组成。数据发送机和接收机由网络接口硬件构成，而通信信道 则一般由构成物理链路的铜线或光纤组成。数据通常在发送和接收计算机内部以并 行方式在内部数据总线上传输，而在数据发送和接收机之问的信道上则以串行位流 方式传输。 图2 1 千兆以太网基带传输系统 发送器由编码器、多路复用器( d m u x ) 和发送调制器组成，它需要完成为 在模拟信道上可靠传输而准备信号所需要的全部信号处理工作，同时将信号发送至 信道上。 编码器：它从上层数据总线接收数据字节，并将每个字节编码成一个为可靠传 输而开发的1 1 位码字。在千兆以太网中，这通常将每8 位数据字节转换为一个1 0 第章数据传输系统概述 位码字。附加的位虽然增加了传输开销，但多余的数据位提供了一定的传输兀余。 这个冗余使差错检测更可靠，可以提供独立的数据利控制字并能够对抗较差的信道 特性。 多路复用器：编码后的n 位传输字符流，在送到发送调制器前需要按照协议定 义的传输顺序被多路复用为一个顺序的串行位流。在于兆以太网中，串行位流的顺 序是低位在前，高位在后。 发送调制器：发送调制器以一种适台传输介质传输的方式，完成发送数据数字 到模拟的转换，它包括形成信道传输所需要的任何脉冲。在以太网铜缆传输中，它 丰要由线驱动器和连接器组成。 接收器接收经传输介质中传输过来的数据信号，并从接收到的失真模拟信号中 恢复出数字数据。它主要由接收解调器、多路解复器和译码器组成。 接收解调器：它是完成模拟到数字的转换，丰要功能包括信号检测和前置放 大、脉冲均衡以及脉冲再牛和重整。具体到千兆以太网铜缆传输系统中，解调器丰 要包括连接器、前置放大器、接收滤波器和时钟数据和恢复电路，它是接收器电路 设计中的难点。 多路解复器和译码器：多路解复器将传入的串行位流分解为1 0 位传输代码 字，该代码字在被送到上层数据总线时，被译码和翻译成数据字节或控制信号。 论文的重点部分是介绍接收器的设计。 2 21 0 g b a s e 以太网 以太网在局域网中取得了巨大的成功，如今它已被更广泛的使用在城域网利广 域网中，这将要求数据率更高的以太网。随着社会的发展，人们也不仅通过网络交 换普通数据，而且传递大量的多媒体信号，这些信号不仅数据量大，而且要求实时 传输，对网络的带宽要求很高。i e e e8 0 2 - 3 标准委员会在2 0 0 2 年六月通过了i e e e 8 0 2 3 a e 标准，这个标准将i e e e8 0 2 _ 3 协议扩展到了1 0 - g b s 的工作速率【7 】。 为了保证不同供应商产品之间的兼容性，i e e e8 0 2 3 a e 标准丰要是对以太网的 物理层实现进行了修改，而沿用了i e e e8 0 2 3 的m a c 层协议，这样既能保证1 0 g 以太网在局域网中继续占据统治地位，同时又能满足城域网和广域网的要求。 i e e e8 0 2 3 a e 协议中只规定了传输媒质光纤，当然实际设计中也可以基于铜缆。根 据广为流行的o s i 七层网络模型，以太网的物理层器件对应七层模型中的第一 层它将传输媒质与对应七层模型第二层的m a c 层连接起来。图2 , 2 给出了i e e e 8 0 2 3 a e 定义的1 0 g 以太网模型以及与之对应的o s i 七层网络模型。从图中可以看 复咀人学博 ：论文 到，i e e e8 0 2 3 a e 定义了三种物理层结构，其中1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e x 是局 域网的物理层，1 0 g b a s e w 是广域网的物理层它是在1 0 g b a s e r 的物理层上 增加了w i s 予层，使数据格式满足s t s 一1 9 2 的要求，从而能在s o n e t s d h 上传 输。1 0 g b a s e x 物理层将速率为l o - o b s 的m a c 层数据分配在四个通道，每个通 道的数据率就是2 5 g b s ，采用8 b 1 0 b 编码后，需要传输的信号速率为3 1 2 5 一 g b s ，四个通道的数据通过波分复用的方式合在一个信道内。 m d i m “i u n d e 蛳d e n l l n l 日f p c s p h y s l lc o d , r t s u b l r y _ ；篇茹0 o 哺a s e - wi o g s a s e - ri o g b a s e p m d - p b y s j “lj n d l 岫d 幻 d e 玎j w i s - w a n n l b l _ v _ x g m i i - i 0 g , i j c b l t m e d i a i n d c p c n d c n l i n r f a c o 图2 2 以太侧参考模型发对应的o s i 七层州络模犁 图2 3 四通道x a u i 接u 示意 在1 0 g 以太网中，x a u i ( t e n g i g a b i ta t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e ) 接口被用来作 为x g m i i 的扩展。1 0 g 以太网的x g m i i 接i s i 共有7 4 条信号线，其中发送和接收 各有3 2 条数据线，外加1 0 条控制线，这将大大限制m a c 层和物理层芯片间连接 的距离和性能。在以太网的实现中这两层彳丰彳辛是用不同的芯片实现的。x a u i 接 口是低铃；脚数的串行接口，它的数据率是2 5 g b s ，当同时使用四个x a u i 接口时 就可以满足1 0 g 以太网的传输速率。x a u i 接e l 同样使用8 b l o b 编码来提高信号 第_ 章数据传输系统概述 的可靠性，所以串行数据率变为3 1 2 5 一g b s 。用x a u i 接口代替或者扩展x g m i i 不仅可以减少接口连线，降低信号间的电磁干扰，而且解决了宽总线间的信号歪斜 问题，从而大大提高了m a c 层和物理层之间的连接距离。l o g 以太网的x a u i 技 术还可以用在其它一些工业标准如f i b e rc h a n n e l 中，也可以用来提供一般的背板 连接。图2 3 给出了使用x a u i 技术提供的m a c 层利物理芯片间接口的示意图， 从图中可以看到一共只有t 6 条点到点的信号线。 以太网收发器可以实现其物理介质附加了层( p m a ) 的全部功能，论文设计的四 通道接收器也可以用来提供芯片间的x a u i 接口。 2 3 千兆以太网标准 i e e e8 0 2 3 是关于千兆以太网的通信标准，其中1 0 0 0 b a s e c x 是基于短距离 铜缆连接的情8 8 。设计的1 2 5 g b s 接收电路丰要就是针对于1 0 0 0 b a s e c x 的情 况。图2 4 给出了它的接1 3 示意，下面则分别定义了它的电气特性。 图2 4 10 0 0 b a s e c x 连接 在发送端t p 2 ，协议规定的输出电气特性见表2 1 。图2 5 则是发送端t p 2 上 的眼图特性，图中显示的是电平的绝对值。 表2 1t p 2 发送器电气特性 d e s c r i p t i o n v a l u eu n i t s t y p e ( p ) e c l d a t ar a t e1 0 0 0m b s c l o c kt o l e r a n c e士1 0 0 p p m n o m i n a ls i g n a l i n gs p e e d1 2 5 0m b s d i f f e r e n t i a la m p l i t u d e ( p - p ) m a x ( w o r s tc a s ep - p 1 2 0 0 0m v m i n ( o p e n i n g ) 1 1 0 0m v m a xf o f f )1 7 0m v r i s e f a l lt i m e ( 2 0 8 0 、 m a x i m u m3 2 7 p s m i n i m u m ， 8 5 d s d i f k r e n t i a ls k e w ( m a x ) 2 5 p s 复h 大学博1 j 论文 。o 。t 4 。0 。3 4 。，篇。上” 图2 5t p 2 处的耻图 在接收端t p 3 ，阱议规定的接口电气特性见表2 2 。图2 6 则是接收端t p 3 上 的眼图特性，图中显示的是电平的绝对值。 可以看到接收端输入信号的最小差分幅度为4 0 0m v 。 表2 2t p 3 接收器电气特性 d e s c r i p t i o n v a l u eu n i t s d a t ar a t e1 0 0 0m b s n o m i n a ls i g n a l i n gs p e e d1 2 5 0m b d t o l e r a n c el o o p p m m i n i m u md i f f e r e n t i a ls e n s i t i v i t y ( p - p )4 0 0m v m a x i m u md i f f e r e n t i a li n p u t ( p - p ) 2 0 0 0m v l n p u ti m p e d a n c et p 3 t d rr i s et i m e8 5 p s e x c e p t i o nw i n d o w 7 0 0o s t r o u g hc o n n e c t i o n 1 5 0 土3 0q a it e r m i n a t i o n1 5 0 4 - 1 0 q d i f f e r e n t i a ls k e w1 7 5 p s 图2 6t p 3 处的毗图 0 0 o m 盖elt口el岜6 第章数据传输系统概述 表2 3 则定义了1 0 0 0 b a s e c x 的抖动规范。系统规定在t p i 处的总抖动最大 为1 9 2 p s ( o 2 4 u i ) ，在t p 4 处的总抖动为5 6 8 p s ( 0 7 l u i ) ，可以看出在接收端的 抖动变得很大。均衡器电路可以帮助克服由于码间干扰产牛的抖动，同时还需要时 钟恢复电路具有较强的抑制能力。 表2 31 0 0 0 b a s e c x 抖动定义 c o m p l i a n c e t o t a ii i t t e rd e t e r m i n i s t i cl i t t e r p o i n t u id su jd s t p l0 2 4 01 9 2o 1 2 09 6 t p lt o t p 20 0 9 07 20 0 2 01 6 t p 20 2 7 92 2 301 4 01 1 2 t p 2 t o t p 30 4 8 03 8 40 2 6 02 0 8 t p 3 0 6 6 0 5 2 80 4 0 0 3 2 0 t p 3t o t p 40 0 5 04 0 00 5 0 4 0 t p 40 7 1 05 6 8 0 4 5 03 6 0 2 4 线路编码 一个正确设计的传输符号集和传输编码方法可以补偿非理想信道响应、帮助时 钟恢复，并确保健壮的差错检测。图2 7 显示了二个常用的二进制码：非归零码 f n r z ) 、归零码( r z ) 和曼彻斯特码( m a n c h e s t e r ) ，它们可用于基带传输前的基带编 码。n r z 和r z 是基于电平的码( 位值由信号电平代表) ，m a n c h e s t e r 是基于转换的 码( 位值由转换方向代表) 。二种编码看上去相似，f u 有着不同的频率特性。图2 - 8 给出了它们理想的传输脉冲形状和频谱。 图2 7 三种常用的进制码 - 化捌串( 他删j l q 嗣数) 图2 8 理想的归。化脉冲功率谱 在高速发接系统中，信号往往是通过电容或变压器耦合传输的。在极端的长连 0 或l 发送时，交流耦合由于不自g 保持信号电平时间过长会导致信号电平衰落，引 0 o 0 旺 灯：萋 复r u - 人学博l j 论文 入一个基线漂移的问题。这在接收端会造成工作点的漂移，影响接收判决器的工 作。一个好的线路编码应该满足直流平衡，以克服摹线漂移问题。此外，还应增加 转换密度，以利于时钟恢复：对数据和控制信号进行码字隔离：对于违反编码产牛 差错检测：较高的编码利带宽效率。 在千兆以太网中，广泛采用了8 b l o b 的分组编码【6 。这种码是将每8 位数据 字分为一组，然后编码映射为一个1 0 位码字。码字的选择可以用来对抗较差的信 道响应，提供用于时钟恢复的转换，并且帮助差错检测。8 8 1 0 b 编码的丰要特点 是：每1 0 位代码组有3 到8 个转换的高转换密度：直流平衡，最大连0 或连1 数 为5 ，一个码字中最大高低电平差异数为3 ；编码中数据码字和用于控制信令的特 殊码字分开；良好的差错检测能力：编码和带宽效率较高。这些使它成为干兆以太 网应用中最好的折衷选择。 在设计的以太网接收器中，8 8 1 0 b 保证了直流平衡，通过限制长0 和长1 保证 足够的时序信息，同时还要用到字节对准年u 通道对准的特性码。 第三章系统研究 第三章系统研究 这一章对高速数据传输系统中的一些问题进行了分析讨论，它们对于一个完 整收发器芯片的成功设计是非常重要的。3 1 节简要介绍了高速电路设计中的一 些信号完整性考虑；3 2 节主要结合数据传输中的媒介损失讨论了收发系统中的 均衡技术；3 - 3 节则主要介绍了接收器时钟提取中的两种鉴相器选择。 3 1 信号完整性考虑 随着芯片制造工艺的不断进步和特性尺寸的不断减小，超大规模集成电路的 工作频率和电路复杂度不断增大，在高速连接上串扰、反射、时钟歪斜、接地反 弹及电源噪声等现象将变得非常严重，这些现象将阻碍电路设计实现后达到预期 的设计目标9 1 1 。信号完整性将成为系统性能和可靠性的一个重要因素。对信 号完整性的研究将有助于减小各种寄生元件噪声和不理想性带来的影响，从而保 证电路在高速环境中达到预期的性能指标。 3 1 1 电压噪声 3 , 1 1 1 串扰 串扰般是指不同信号间的相互干扰、影响，它可以由多种途径产生。如由 于信号线1 1 j 的寄生电容和寄生电感，直接将一条信号线中的部分信号，耦合到另 一条信号线；共享返回通道信号线间的能量耦合等。由串扰的定义可知，串扰是 一种与信号幅度成比例的噪声。因此，就串扰而言，不能通过减小信号来提高信 噪比。根据串扰产生的方式，我们可以将串扰分为三种：一种是容性线间的串扰， 芯片上的线问串扰绝大多数属于此类：第二种是芯片问的互连串扰：第三种是信 号线共享返回通道时产生的串扰。 对于高速长信号线或芯片问的互连，通常可以看成传输线。传输线间的串扰 一般是由寄生电容和互感引起的，如图3 1 所示。c s 、上分别表示传输线对返回 通道的寄生电容和寄生电感，c c 和m 分别表示传输线f b j 的容性耦合和感性耦合。 对图中左边的两条并行线，其互容和互感可以表示为 c c = 占i s ( 3 1 ) m o cl n 1 + ( 等) 2 】 ( 3 - 2 ) 其中是介电常数，s 和d 分别是截面积和距离。图中传输线a 对传输线b 有两 方面的影响。一方面，传输线a 上某一点的电压变化，通过电容分压器，可以 复日大学博十学位论文 耦合入传输线b 上的对应点，并以该点为源，向传输线两边传播：另一方面， 传输线a 上的电压梯度通过自感三会引起电流的变化，该电流的变化，可通过 互感m ，可以在传输线b 上引入电压梯度。 传输线问的寄生电容和电感耦合不仅会在信号发生变化的对应点间引起串 扰，而且会在传输线的两端引入串扰。因为传输线对应点发生的变化，会向传输 线的两边传播，加之传输线的端阻抗与特征阻抗不可能完全匹配，传输到传输线 两端的串扰会发生多次的反射和叠加。 信号返回通道引起的串扰与信号的传输方式有关。在信号电流模方式接收 时，返回通道对信号引入的串扰要小于信号以电压模方式接收时的串扰。若要减 小突跳的幅度，一方面可通过减小返回通道阻抗与电缆特征阻抗的比来实现；另 一方面可通过控制信号的切换速度减小跳变。如果信号以差分的方式来传输即 信号通道a 、b 传输的信号如果是一对互补信号，且电缆a 、b 共享返回通道， 则流经电缆的电流是互补的，共享的返回通道上的电流不变，始终是共模电流， 因此可完全消除返回通道的串扰。 工 幽3 i 传输线间的串扰 了。5 血 根据串扰产生的方式及特点，为了减小和抑制串扰，可以采用以下一些方法。 工艺层间的信号布线最好尽量相互垂直，以减小信号线之间的容性及感性耦 合。并行的非差分信号线之间的布线距离应有一定的宽度，以减小线的横向耦合。 差分传输线应靠得尽量接近，以使两者间的串扰仅为共模噪声。任何信号对与地 线阳j 的寄生电容应尽可能减小。 在敏感信号线与全摆幅信号线布线时，尤为需要很好地隔离，以减小串扰。 如果有可能，敏感线的四周需用金属线屏蔽。灵敏的直流信号线与电源线间可加 入电容，来减小线问寄生电容的影响。 大摆幅信号线不应与低摆幅信号或敏感信号线距离太近，必要时，加入隔离 和屏蔽措施，以减小耦合因子。 信号线端串扰的大小直接与引入串扰点的电压梯度呈比例，而电压梯度决定 第二蕈系缆研冗 于串扰电流的变化速度。因此，通过控制信号的上升下降时问，可减小传输线间 的串扰。如果信号的传输方式允许，传输线两端都应加入端阻抗，以吸收串扰和 反射信号。 3 1 1 2 反射 传输介质的非连续性和端阻抗与特征阻抗的不匹配都会引起信号的反射。传 输线上任何一点的波形是入射信号和反射信号电压的叠加。因此，传输信号的幅 度和相位都可能发生失真，造成数据电平转换位置的不确定及信噪比的下降。 对传输介质可以抽象为传输线，用传输线理论来研究传输介质的特性。实际 的传输线都是有限长的，端电阻一般也不会与传输线特征阻抗精确匹配，因此主 要考虑带负载的有限长传输线的行为特性。传输线可以当作四端网络来处理，在 输入端接输入信号k 。，终端接负载阻抗z r ，如图3 2 所示。对图中的传输线模 型可以得到其特征阻抗为 z 。= j 篇z 拦 ， 在传输线的负载端，如果阻抗失配会产生信号的反射，利用叠加原理，负载端 任何一点的电压等于入射与反射电压的叠加，电流也是如此，只不过方向相反。 在传输线上，反射因子定义为该点的反射电压 与入射电压k 的比值或者反射 电流与入射电流的比值 r 。：兰：土：兰矗( 3 4 ) “kz ，+ z 0 由上式可知，终端电压反射因子仅取决于终端负载阻抗z f 和传输线的特征阻抗 z 0 ，当负载阻抗等于传输线特征阻抗时，反射因子等于0 ，如果传输线端开路或 短路时，反射因子的幅值等于l 。无论f 大于0