采用0.18um CMOS設(shè)計用于2.5Gb/s收發(fā)器系統(tǒng)的16:1復(fù)用器電路

1 引言

近年來，隨著傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，它們對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了越來越高的要求，由此導(dǎo)致了高速串行接口的出現(xiàn)。目前國內(nèi)關(guān)于2.5 Gb/s超高速串行收發(fā)器CMOS芯片及IP核研究開發(fā)尚處于起步階段。設(shè)計開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能串行收發(fā)器芯片及IP核，打破國外對高端路由器、交換器芯片的壟斷，不僅能夠直接大幅度降低通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能帶來巨大的社會效益。本文所設(shè)計的復(fù)用器，應(yīng)用在2.5Gb/s收發(fā)器系統(tǒng)中，該收發(fā)器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

眾所周知在高速的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，收發(fā)器對于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能起著至關(guān)重要的作用。而在收發(fā)器系統(tǒng)中，復(fù)用器是工作在最高速度的電路單元之一，因此復(fù)用器電路設(shè)計的好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。本文所設(shè)計的復(fù)用器，采用SMIC 0.18µm CMOS工藝實現(xiàn)。

2 電路結(jié)構(gòu)及其設(shè)計

2.1 16:1復(fù)用器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的16:1復(fù)用器是將發(fā)送數(shù)據(jù)選擇模塊輸出的16位156.25Mb/s并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2.5Gb/s串行數(shù)據(jù)輸出，其實現(xiàn)框圖如圖2所示，該電路主要由1個16:4復(fù)用器電路和1個采用樹形結(jié)構(gòu)（包括3個2:1復(fù)用器）實現(xiàn)的4:1的復(fù)用器電路構(gòu)成。其中16:4復(fù)用器用數(shù)字電路實現(xiàn)，4:1復(fù)用器電路用模擬電路實現(xiàn)。該電路接收從PLL送出的2.5GHz、1.25GHz和625MHz差分時鐘，為16:4復(fù)用器和2:1復(fù)用器電路提供所需要的時鐘。16位并行輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過16:4復(fù)用器后輸出4位并行數(shù)據(jù)送入4:1復(fù)用器,經(jīng)4:1復(fù)用器后，數(shù)據(jù)變換成1比特寬度的串行數(shù)據(jù)流，發(fā)送順序最低位在前，即TXD_P[0]最先出現(xiàn)在TXD_S上,TXD_P[15]最后發(fā)出。由于本電路是數(shù)模混合信號設(shè)計，仿真時需要給數(shù)字電路和模擬電路分別加激勵，對于4:1復(fù)用器電路，輸入采用互補(bǔ)的方波電壓源，峰峰值為0.4V。對于16:4復(fù)用器電路，通過用Verilog語言描述的方式加激勵。由于兩個模塊分別用數(shù)字電路和模擬電路實現(xiàn)，因此在兩個模塊的連接處要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。Virtuoso AMS Simulator中將接口模型劃分為A2D型和D2A型兩類。本設(shè)計是由數(shù)字電路送信號給模擬電路，因此要用到D2A接口模型，該模型主要有4個參數(shù):d2a_tf,d2a_tr,d2a_vh和d2a_vl。其中d2a_tf和d2a_tr分別表示接口模型的輸出從當(dāng)前值上升到d2a_vh所需要的時間和下降到d2a_vl所需要的時間；d2a_vh和d2a_vl分別表示對應(yīng)數(shù)字電路中的邏輯“1”和“0”而轉(zhuǎn)換成的最終電壓值。本設(shè)計的設(shè)置如下: d2a_tf=20ps, d2a_tr=20ps，d2a_vh=1.8V，d2a_vl=1.4V。

圖1 Transceiver結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 16:1復(fù)用器實現(xiàn)框圖

2.2 單元電路設(shè)計

2.2.1 16:4復(fù)用器電路

16:4復(fù)用器電路由4個4:1復(fù)用器模塊和一個賦值語句模塊構(gòu)成，本電路均采用Verilog語言來描述。4個4:1復(fù)用器的作用是將16路156.25M數(shù)據(jù)TXD_P[15:0]復(fù)用為4路625M數(shù)據(jù)，這里我們用移位寄存器實現(xiàn)4:1復(fù)用器。首先將16位并行數(shù)據(jù)，分為四個4位并行數(shù)據(jù)，然后將4位并行數(shù)據(jù)送入4:1復(fù)用器，數(shù)據(jù)經(jīng)過4位移位寄存器后的輸出如圖3所示。由于后級的模擬電路需要差分輸入，因此本模塊輸出均為互補(bǔ)輸出。

圖3 16:4復(fù)用器實現(xiàn)時序圖

4:1復(fù)用器電路的Verilog實現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下：

2.2.2 4:1復(fù)用器電路

4:1復(fù)用器采用樹形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其實現(xiàn)如圖2所示，它主要由三個2:1的高速復(fù)用器和一個主從D觸發(fā)器（MSDEF）構(gòu)成。2:1復(fù)用器由一個主從D觸發(fā)器（由兩個鎖存器級連構(gòu)成），一個主從主D觸發(fā)器（由三個鎖存器級連構(gòu)成）和一個2:1數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。

本文所設(shè)計的鎖存器和2:1數(shù)據(jù)選擇器均采用CML(電流模式邏輯)邏輯實現(xiàn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，按其功能可分為下拉邏輯網(wǎng)絡(luò)、尾電流源和上拉電阻三個部分。它可以在電壓擺幅較小的情況下正常工作。由于尾電流源的存在，CML電路的功耗近似為恒定值P=vdd*I，其中vdd是電源電壓，I為直流尾電流。眾所周知，傳統(tǒng)CMOS電路的功耗為P=CL`*f*vdd2，其中f是電路的開關(guān)頻率，CL`是輸出節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電容。因此，在高速率的條件下，CML電路的功耗比與其相似的CMOS電路的功耗要小得多。此外，降低CML電路的電壓擺幅，還可以減小整個電路的延時，從而提高電路的工作速度。

圖4 鎖存器及2:1數(shù)據(jù)選擇器電路圖

3仿真結(jié)果

該電路采用SMIC 0.18µm工藝模型，使用Virtuoso AMS Simulator 工具進(jìn)行了仿真。輸入信號為16位156.25Mb/s并行數(shù)據(jù)，如圖5(a)所示。仿真的corner包括：ff（fast model）、tt(typical model)、ss(slow model)。不同corner下的仿真輸出波形如圖5(b)-(d)所示。從仿真的結(jié)果可以看出，輸入數(shù)據(jù)為156.25Mb/s時，能較好的實現(xiàn)復(fù)用功能，輸出數(shù)據(jù)速率為2.5Gb/s，整個電路的功耗約為6mW。 圖5 不同corner下的仿真波形

4結(jié)論

隨著CMOS工藝的發(fā)展，采用CMOS工藝已經(jīng)可以設(shè)計出高性能、低功耗、成本低的高速電路。本次設(shè)計采用0.18µm CMOS工藝，采用CML電路設(shè)計技術(shù)和數(shù)?；旌显O(shè)計技術(shù)，設(shè)計出了2.5Gb/s 16:1復(fù)用器電路。該電路能夠在電源電壓為1.8V，工作溫度范圍為0－70。C時，工作速率可達(dá)到2.5Gb/s，功耗約為6mW。

本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：本文將16:1復(fù)用器電路進(jìn)行了模塊化分解，采用數(shù)模混合的設(shè)計技術(shù)分別用Verilog語言描述的方式和CML電路邏輯設(shè)計了16:4復(fù)用器電路和4:1復(fù)用器電路，并采用混合信號仿真的驗證方式對所設(shè)計的16:1復(fù)用器進(jìn)行了驗證。用該種方法大大縮短設(shè)計和驗證所需要的時間。