12.5Gb/s10:1复接器设计与SerDes发射芯片集成

摘要

随着对数据传输速率需求的不断增长，串行通信技术的应用领域正从远距离数据传输扩展到板级的数据通信。远距离的串行通信主要通过光纤信道，采用光信号进行传输，因此也称为光纤通信，而近距离的串行通信主要采用电信号进行传输。高速串行通信技术从光信号到电信号，发生了很大的改变，现在越来越多的人将其称为SerDes技术。无论是在早期的光纤通信电路还是现在的SerDes技术中，这部分电路的核心功能都是数据的并串转换与串并转换。
　　 SerDes发射部分中完成数据并串转换功能的电路即复接器。由于复接器的工作速率受限于器件的特征频率fT，因此，在早期的复接器设计中，为了提高工作速率，往往采用一些特征频率较高的特殊工艺。随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小，器件的特征频率不断提高，使设计基于CMOS工艺的超高速复接器电路成为可能。但是，CMOS工艺的成本随着特征尺寸的减小而增加。因此，采用CMOS工艺设计工作速率接近器件特征频率，且功耗较低的复接器电路具有很大的实际意义。
　　 本文采用TSMC0.18μm CMOS工艺，设计了能够在12.5Gb/s的速率上稳定工作的10∶1复接器，并完成了复接器与时钟电路的系统集成。
　　 传统10∶1复接器由于低速串行5∶1复接部分速度较低，整个复接器工作速度不易提高。本文采用5B/4B比特转换电路将10路并行数据转为8路，进而采用半速率树型结构以降低数据通道的功耗，提高工作速度。同时，本文又采用四相位切换分频电路将系统中的四分频与五分频电路合成，降低了时钟通道的功耗。
　　 本文给出了10∶1复接器的系统级设计、电路设计、版图设计及后仿真结果。后仿真结果显示，芯片工作速率达到12.5Gb/s，整体功耗小于125mW，其中输出缓冲电路功耗为25mW，单端输出峰峰值200mV，抖动小于0.1UI。同时给出了与锁相环电路集成后的系统版图以及后仿真结果。后仿真结果显示，输入参考时钟频率为312.5MHz时，锁相环电路输出时钟频率为6.25GHz，锁定时间小于150ns，复接器输出数据速率为12.5Gb/s，单端输出峰峰值200mV，抖动小于0.15UI。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 SerDes技术的发展演进

1．1．1 光纤通信

1．1．2 局域网通信

1．1．3 板级数据通信

1．2 SerDes系统的构成

1．3 复接器的研究现状

1．4 论文的主要工作

第二章 复接器系统设计基础

2．1 逻辑电平

2．1．1 CMOS反相器

2．1．2 CML反相器

2．1．3 总结

2．2 复接器的基本结构

2．2．1 串行复接器

2．2．2 并行复接器

2．2．3 树型复接器

2．3 半速率高速2∶1复接器

第三章 10∶1复接器的系统级设计

3．1 系统设计要求

3．2 传统设计以及问题

3．3 问题的解决与改进

第四章 10∶1复接器电路设计

4．1 高速CML电路设计

4．1．1 高速半速率2∶1复接电路设计

4．1．2 高速二分频电路设计

4．1．3 输出缓冲电路设计

4．2 低速CMOS电路设计

4．2．1 低速4∶1复接器设计

4．2．2 四相位切换电路设计

4．2．3 5B／4B转换电路设计

4．3 电平转换电路设计

4．3．1 CMOS转CML电路设计

4．3．2 CML转CMOS电路设计

4．4 偏置电路设计

4．4．1 带隙基准电压电路设计

4．4．2 电压电流转换电路设计

第五章 10∶1复接器版图设计与系统集成

5．1 10∶1复接器的版图设计

5．1．1 整体布局设计

5．1．2 关键模块版图设计

5．2 复接器整体版图与后仿真结果

5．3 系统集成

5．3．1 6.25GHz锁相环时钟倍频器介绍

5．3．2 集成系统版图

5．4 集成系统后仿真结果

第六章 总结

参考文献

致谢