0.13μm CMOS工艺的30GHz(Gb/s)以上的四分频器和1∶2分接器的设计

摘要

在光纤通信系统中，如今10Gb/s通信系统已经显得容量不足。为了满足人们日益增长的数据通信的需求，研发具有自主知识产权的超高速芯片已势在必行。
　　 本文采用IBM 0.13μm的CMOS工艺设计了一个最高工作频率达到37GHz的四分频器和一个工作速率为30Gb/s的1:2分接器。其中分频器电路可以应用于光纤通信和无线通信等领域中；而分接器电路则是位于光纤通信系统的末端，它将经过数据判决电路输出的高速串行信号转变为多路低速并行信号。
　　 本课题研究的目的是，针对所设计的电路，在确定工艺的条件下着重寻求降低功耗、减小芯片面积同时尽可能提高工作速率的方法。为此，本文从电路结构的选取、参数的设计以及版图设计等方面进行了深入的研究和设计优化。
　　 在完成的芯片设计中，四分频器电路是通过两个二分频器级联而成的，二分频器都是基于单时钟动态负载锁存器的结构。这种锁存器可以在低电压下工作，并且具有速度高、功耗低的优点，其参数的设计采用了gm/Id和瞬态分析相结合的方法。后仿真结果表明：在电源电压为1.2V时，其最高工作频率可达到37GHz，分频范围超过15GHz，典型功耗仅为27mW，整个芯片的面积为478μm×416μm。1:2分接器同样基于单时钟动态负载锁存器的结构，其核心单元由五个锁存器构成，其中两个锁存器构成主-从D触发器，完成上升沿采样并输出，另外三个锁存器构成主-从-从D触发器，完成下降沿采样上升沿输出。后仿真结果表明：在电源电压为1.2V的条件下，1：2分接器的工作速率达到30Gb/s，并且输出数据的眼图质量良好，典型功耗仅为24mW，整个芯片面积为534μ×730μm。