（通信与信息系统专业论文）025μm+cmos+116分接器的研制.pdf

摘要 摘要 随着科学的进步，通信技术作为现代高科技的主要手段之一，发生了日新月异的变化。当前， 网络多媒体业务正在高速蓬勃发展。以视频点播、网络会议、可视电话等为代表的新业务需要更高 的数据传输速率，因此现代网络通信对超高速数据传输的要求越来越迫切，以光纤通信为代表的传输 网构架了现代通信最重要的基础网络。 提高数据传输速率的方法可以通过采用复接和分接技术，将多路低速信号合并为一路高速信号 后通过光纤传输到远程终端，接收端再将其分解还原为多路低速信号。大多数超高速分接器芯片在 工艺方面均采用砷化钾、双极性硅、b i c m o s 等工艺，在设计方面主要采用树行结构和s c f l 逻辑。 随着深亚微米c m o s 工艺的进步和发展，1 0 g b p s 及以上速率的复接、分接器也可采用0 1 8 u m 或更 小尺寸的c m o s 工艺加以实现。对于工作在2 5 g 6 p s 速率的分接器而言，0 2 5 i n nc m o s 工艺完全可 以满足设计需要，且结构上可以采用单一串行、并行、树行或以上几种的组合，逻辑上可以选用s c f l 、 准静态逻辑、t s p c 等逻辑，因此设计比较灵活，利于在功耗、面积、工作速率等方面进行折中考虑。 本论文从介绍反相器、传输门、触发器等数字电路的基本单元出发，深入比较了串行、并行、 树行分接器结构的特点；提出了分接器的关键电路如分频器、缓冲、单端转双端电路以及输入输出 接口的电路结构和设计考虑；最后给出了o 2 5 i u nc m o s 工艺下l ：1 6 分接器的电路设计和版图实现 及流片后的测试结果。 本课题的特点是针对目前大多数分接器采用s c f l 逻辑，存在功耗较高、芯片面积较大的问题， 特别是在类似1 ：1 6 分接器，电路数量相对较大的情况下。这些问题更显得突出一些。本课题选择了 结构简单、低功耗的c m o s 准静态逻辑并结合树行分接结构，在t s m c0 2 5 1 u n 一层多晶硅、五层 金属的c m o s 工艺下设计了一种低功耗、吉比特速率的1 ：1 6 分接器，从而达到了课题提出的要求。 实现的芯片面积仅1 5 6 1 8 6 廿。文中通过对准静态逻辑的详细分析，给出了提高该逻辑工作速度 的思路，并在速度方面对其参数进行了优化，克服了该逻辑工作速率较低的缺点。分接器芯片经测 试，在2 5 v 电源电压下，可以实现数据速率为2 2 g b p s 左右的1 ：1 6 分接功能，功耗2 7 0 m w ：在3 3 v 电源电压下，可以实现数据速率为2 5 g b p s 的1 ：1 6 分接功能，功耗5 4 0 m w 。结果表明，采用本设计 中经过参数优化的准静态逻辑实现的树行1 ：1 6 分接器，其核心功耗极低，并且可以工作在吉比特速 率。这不仅对于低功耗分接器的研究具有重大意义，而且对于其他高速低功耗数字芯片的开发也可 以提供积极的参考依据。 关键词：1 ：1 6 分接器；准静态逻辑；触发器；分频器 堂! ! 坠坚 一一- a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sc h a n g i n gq u i c k l ya so n eo ft h ep r i m a r y m e t h u do fm o d e r ns c i e n c e c u r r e n t l y , t h en e t w o r km u l t i m e d i as e r v i c ei sd e v e l o p i n gr a p i d l y s u c hn e w s e r v i c e sa sv o d ，n e t w o r km e e t i n g ，v i d e ot e l e p h o n ea n de t cn e e df a s t e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t e t h e r e f o r e t h er e q u i r e m e n to fu l t r a h ! i 曲d a t at r a n s m i s s i o nf o rm o d e mn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni sm o r ea n dm o r e u r g e n t m u l t i p l e x e r ( m u x ) a n dd e m u l t i p l e x e r ( d e m u x ) c a nb eu s e d t oi n c r e a s et h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e m u l t i p l e x e ri n t e g r a t e ss e v e r a ll o w - s p e e dd a t as t r e a m si n t oo n eh i c ab i tr a t ed a t as t r e a mo nt h et r a n s m i t t e r s i d e ，a n do nt h er e c e i v e rs i d et h ed a t as t r e a ma f t e rr e g e n e r a t i o ni ss p l i tu pi n t oo r i g i n a ll o wb i tr a t ec h a n n e l s b yt h ed e m u l t i p l e x e r m o s tu l t r a h i 曲s p e e dd e m u l t i p l e x e r sa d o p tg a a s ，s ib i p o l a r , b i c m o sp r o e s s e s ， t r e e t y p es t r u c t u r ea n ds c f ll o g i c w i t ht h ea d v a n c e m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c s ，1 0 g b p sa n da b o v eb i tr a t e d e m u l t i p l e x e r sc a nb ei m p l e m e n t e di no 1 8 9 mo rm o r ea d v a n c e dp r o c e s s a sf o r2 ，5 g b p sd e m u x 0 2 5 p r o c m o sp r o c e s sc a ns a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sv e r yw e l la n dt h ed e m u xs t r u c t u r ec a r la d o p ts i n g l e s e r i a l t y p e ，p a r a l l e l - t y p e ，t r e e - t y p eo rt h ec o m b i n a t i o no ft h ea b o v et h r e et y p e s ，f u r t h e r m o r e ，t h es c f l l o g i c ，p s e u d o s t a t i cl o g i c ，t s p ca n do t h e rl o g i c sc a nb ea p p l i e di nt h ed e s i g n t h u st h ed e s i g no f 2 5 g b p s d e m u xi sv e r yf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n ti nt h et r a d e o f fo fp o w e rc o n s u m p t i o n ，c h i pa r e a , o p e r a t i o nb i tr a t e a n ds o o n ac o m p a r i s o ni sd r a w nb e t w e e nt h et h r e em a i ns t r u c t u r e so ft h ed e m u x ：s e r i a l - t y p e ，p a r a l l e l - t y p ea n d t r e e - t y p e i ta l s oi n t r o d u c e st h ek e yc k c u i t sa n dt h ed e s i g nc o n s i d e r a t i o no ft h ed e m u xs u c ha sf r e q u e n c y d i v i d e r , b u f f e r , s i n g l e - e n ds i g n a lt od i f f e r e n t i a ls i g n a lc i r c n i li n p u ta n do u t p u ty o ，e t c f o rm o s td e m u xi c s c o n s u m el a r g ep o w e rb e c a u s eo fu s i n gs c f ll o g i c ，w ep r o p o s eal o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dg i g a - b i tr a t e 1 ：1 6d e m u x w i t h c m l i o i n t e r f a c eb yu s i n g t h e c m o sp s e u d o - s t a t i c l o g i c i n0 2 5 t u n c m o s t e c h n o l o g y t h ec h i pa r e ai so n l y1 5 6 x 1 8 6n u n 。w ea n a l y z et h ec m o sp s e u d o - s t a t i cl o g i ci nd e t a i la n do p t i m i z et h e p a r a m e t e r st oi n c r e a s ei t ss p e e d t h u st h ep s e u d o s t a t i cl o g i cw i t ht h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sc a l lm e e t st h e n e e do fh i c as p e e da n dl o wp o w e rc o n s u m p t i 6 n t h eo n - w a f e rt e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，w i t h2 5 vp o w e r s u p p l yj h e1 ：1 6d e m u xc a no p e r a t ec o r r e c t l ya t2 2g b p sa n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s2 7 0 r o w ；w i 也3 3 v p o w e rs u p p l y ，i tc a l lo p e r a t ec o r r e c t l ya t2 5 g b p sa n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s5 4 0 m w t h er e s u l ti n d i c a t e t h a tu s i n gt h ep s e u d o s t a t i cl o g i cw i t ho p t i m i z e dp a r a m e t e r sa n dt r e e t y p es t r u c t u r e ，a1 ：1 6d e m u x c o n s u m e sv e r yl o wp o w e ra n dc a l lo p e r a t ei ng i g a - b i tr a t e s ot h i sd e s i g nn o to n l ym a k e sg r a t es e n s ef o r t h e r e s e a r c ho nl o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e m u x 。b u ta l s op r o v i d eaa c t i v er e f e r e c eo nt h ed e v e l o p m e n to fo t h e r h l 邑1 1s p e e da n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nd i g i t a li t s k e yw o r d s ：1 ：16d e m u l t i p l e x e r ；p s e u d o s t a t i cl o g i c ；f l i p f l o p ；f r e q u e n c yd i v i d e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日 期：赵翌：箩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：绺车一聊签名：颦妇7 期旷” 辨 笙二皇堡笙一 第一章绪论 光纤是一种性能优越的传输媒介，具有信道容量大( 几百t b s 数量级) 、抗干扰性强、信号衰减小、 可靠性高、安全等优点，因此被广泛应用于要求传输速率高、误码率低、保密性强的场合。人类正在光纤 的基础上建立信息高速公路。近年来，随着对点播式娱乐服务和宽带媒体服务的需求越来越强烈，宽带接 入业务在中国得到迅猛的发展。我国的光纤传输系统采用同步数字体制s d h 标准，在骨干网方面，中国 电信凭借已有的线路资源和近几年的线路改造，已经建立起以“八纵八横”为代表的遍布全国的骨干光缆网 络，大部分区域的传输速度己经达到2 5 g b p s ，部分线路达到1 0 g b p s 甚至4 0 g b p s 。 数字光纤传输系统是以光纤为传输媒质传送数字信息的一种通信系统，它的系统框图见图1 。1 。图中“数 字终端设备发送端”的功能是把电话、数据、传真等信息经处理变换成光端机发送端”需要的驱动信号，该 驱动信号由“光端机发送端”转换成能在光纤中传输的光信号；作为传输媒质的光纤，其功能是使射入纤芯 的光信号在光纤中反复地进行“全反射”，在封闭的纤芯中不断向前传输；接收端完成光信号至电信号的变 换，再由“数字终端设备接收端把电信号还原成电话、数据、传真等信息。 信 息 图i 1 光纤数字通信系统 1 1 复用技术 信 息 ( t ) 为了提高传输效率，在通信领域里许多不同的复用技术也就随之应运而生。其中，电复用技术主要 有如下三种： 时分复用( t d m ) 是将一条信道的传输时间划分为若干时隙，将若干路离散信号的脉冲序列经过分组、 压缩、循环和排序构成时域互不重叠的多路信号分配在相应的时隙内传输的方式。在接收端，通常按 时隙实现分路。传统的p d h 的次群至四次群以及如今s d h 的s t m 1 、s t m 4 至s t m - 2 5 6 的复用， 采用的都是t d m 技术。 频分复用( f d m ) 是指在传输频带内，将若干频谱互不重叠的信号合成一路宽带加以传输的方式。在 接收端，通常再按频谱互不重叠的相应频带实现分路。 码分复用( c d m ) 是指利用各路信号码型结构的正交性而实现复用的通信方式，在 接收端，同样利用码型的正交性而获取所需的信号。 ( 2 ) 光复用技术的基本概念与电复用技术非常相似，它利用了单模光纤低损耗区的巨大带宽。主要有如 f 五种光复用技术。 空分复用( s d m ) 是一种传统的扩容方式，是以增加光纤对的方式线性增加传输的容量。显然，传输 设备也线性增加。 光波分复用( w d m ) 的通信方式是将1 l o o n r n 以上不同波长的光信号混合在起沿 单根光纤传输，在接收端再用定的方式，将各个不同波长的光信号分开。 光频分复用( f d m ) 是将不同频率的光信号，以几吉赫兹的频率间隔密集地排在一起沿单根光 纤传输；在接收端，从不同信道的光频率信号中选出所需要的信道。由于光被长和频率是对同一光参 数的不同表述，所以光频分复用和光波分复用并无本质区别。 光时分复用( t d m ) 是将一帧时间r r 划为p 段，每段时间为t p ，每光脉冲时间j 小于聊，这样 形成的第1 ，2 ，p 路的时间段依次排列。发送端按帧速率把脉冲发送至指定的时间段内，而在接 f 查壹查兰堡主堂些笙苎一 收端选出相应时段内的脉冲。 副载波复用( s c m ) 是指用多个基带信号调制不同频率的多个电载波( 多在微波波段) ，即进行电的 频分复用，再把这些频分复用的群信号对个激光光源即光信号进行调制。在接收端，由光电检测器 检出电频分复用的群信号，以电方式把各路载波分开，再经过解调，恢复原来传输的基带信号。为了 和光载波有所区别，称电载波为副载波。s c m 系统在有线电视( c a t v ) 领域中有着重要的应用。 1 2 同步数字体系s d h 随着电信网络的发展，传输速率越来越高，传统的p d h 信号结构比较适合点对点传输，而不适合组 网。其暴露出的一些弱点已成为光纾通信技术进一步发展的障碍。为了克服这些缺点，最早由美国贝尔通 信研究所提出s o n e t ( 同步光网络) 方案，便蕴含了s d h 的概念，1 9 8 8 年i t l j t 正式接受了这概念并 命名为s d h 。表1 1 示出了p d h 与s d h 主要方面的比较，表1 2 列出了s d h 传输速率等级划分。 表1 1p d h 与s d h 比较 p d h 缺点p d h 现状s d h 改进 地区性速率标准北美：1 5 6 3 4 5 t n x 4 5m b i t s在1 5 5 6 2 2 t 2 , 4 8 8 * 9 , 9 5 3 1 3 9 ，8 1 3m b i t s 不统一日本：1 5 6 3 3 2 1 1 0 0 4 0 0m b i t s( 即s t m - n ) 等级上有世界统一的速 欧洲：2 8 3 4 1 1 4 0m b i t s率标准 光接口不统一各厂家自行开发专用光接口，无统了光接口和线路码型标准，各厂商 法互联互通设备之间可以互通 复用结构复杂除低速2 m b i t s 等信号为同步利用指针及容器传送技术实现同步复 复用外，其他都采用异步复用技用，复用解复用一步到位。传输速率由 术，结构复杂缺乏灵活性。# 制 m b i t s 提高到g b i t s 了传输速率的进一步提高 网络管理开销严只有少数比特用于开销，不能满具有丰富的开销比特，可实现智能集中 重缺乏足集中网管需要化网络管理 组网结构单一因复用结构的限制只能建立点同步复用技术使组网结构十分灵活，利 对点传输网络用环状、网孔状等特殊网络拓扑可提高 传输的可靠性 表1 2s t m - n 等级信号速率表 s t m - n 信号速率( m b i t s )简称 s t m 1 1 5 5 ，5 21 5 5m b i t s s t m 46 2 2 0 8 6 2 2m b i t s s t m 1 624 8 8 3 22 5g b i f f s s t m 6 499 5 3 2 81 0 g b i t & s t m 一2 5 63 98 1 3 1 2 4 0 g b i t & 同步数字体系( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ，s d h ) 是一种适用于光纤、微波和卫星传输的通用技术 体制，具有世界性的统一标准。i t u t 对s d h 的比特率、网络节点接1 2 1 、复用结构、复用设备、网络管理、 线路系统、光接口、信息模型、网络结构、抖动眭能、误码性能和网络保护结构等提出相关标准建议。 1 3 集成电路设计流程 本课题主要是完成1 ：1 6 分接器的集成电路设计，所以有必要对集成电路设计流程做简要介绍，图1 2 给出了集成电路设计流程图。 2 兰二至丝堡 首先将f o u n d w 提供的设计文档完整 的看遍，做好标签以便将来查 找： 进行电路原理分析( 包括资料查 看) 及优化、仿真； 版图设计： 根据版图进行再优化、再仿真； 提交版图、流片 测试。 电路仿真工具： h s p i c e ，s m a a s p i c e ，s p e c t m 版图设计工具： c a d e n c ev i t u o s o d r c 、l v s 和版图网表提取工具： d i v a 、c a b b r e 、a s s r u a 图1 2 集成电路设计流程示意图 1 ，4 研究动态与课题目的 由于光纤带宽大、传输速率高，而数字信号源的速率相对较低，为了提高光纤带宽的利用率，因此光 纤系统中采用了复用技术。光纤数据传输系统框图如图13 所示，它主要包含一个光发射机( t r a n s m i t t e r ) 、 一条光纤信道( o p t i cf i b e r ) 和一个光接收机( r e c e i v e r ) 。在发射机中，低速的数据信号在时钟信号的作 用下通过复接器( m u x ) 被合并成一路高速数据信号，然后用个激光驱动器( l dd r i v e r ) 和激光二极管 ( l d ) 把这个高速数据信号调制到一路光波上；载有信号的光波通过由光纤和中继器构成的光纤信道，传 输到光接收机；在接收机中光信号首先通过一个光检测器( p d ) 被变换成电信号然后由前置放大器 ( p r ea m p ) 、主放大器( a m p ) 放大，再通过时钟恢复( c l o c kr e c o v e r y ) 和数据判决( d a t ad e c i s i o n ) 电路恢复出发送端复接的高速数据信号，最后通过分接器( d e m u x ) 还原为原始的低速数据信号。在接收 机中将高速信号重新恢复成原来的多路低速信号的过程称为“分接”，实现此功能的电路称为“分接器”。 东南大学硕士学位论文 - 一t r a n s m i t t e r 一卜，r e c e i v e r 一一一一 图1 3 光纤数据传输系统框图 高速通信需求的不断增加使得吉赫兹光纤通信系统的重要性越来越显著，现今信息传输速度的瓶颈之 一是光纤两端的高速电信号发射和接收电路。复接器和分接器作为光纤通信系统的关键部件必须能够处理 吉赫兹的高频信号。国际上各大光通信集成电路i c 和模块供应商均提供了多种规格的复份接器产品，例 如：b r o a d c o m 公司其第三代b c m 8 1 2 4 8 1 2 5 和b c m 8 1 2 8 8 t 2 9 是一对1 0 g b i ts o n e t s d h i o g e 多速 率复接器，全集成了放大电路、时钟数据恢复电路、l ：1 6 6 4 复用器，解复用器，1 8 v 单电源或者1 8 3 3 v 双 电源供电，采用c m o s 工艺制造。类似的还有i n t e l 圆l x t l 6 7 1 6 、i n t e l l x t l 6 7 1 7 复分接器芯片组。运 用于2 5 g b p s 的复分接器有i n t e lg d l 6 5 2 4 ，m a x i m 的m a x 3 8 8 1 、m a x 3 8 8 5 。中低速分接器产品主要用 c m o s 工艺实现，而在高速产品市场，供应商已经在采用磷化铟( i i l p ) 工艺来制造o c - 7 6 8 ( 4 0 g b w s ) 器件， 现在硅锗( s i g e ) i 艺经过改进也能达到相同的性能。总体来说，国际上大型光纤通信芯片厂商提供的单一 复接分接功能的芯片通常工作速率在1 0 g b p s 以上，并且己能够供应整体集成时钟恢复电路、数据判决电 路和分接器的光通信芯片，工作在2 5 g b p s 的单一复接分接芯片较少，大部分与前端放大、时钟恢复、数 据判决等集成在一起构成单片光反射机艘收机芯片。采用g a a sm e s f e t 、g a a s 瑚玎、m p 0 1 a r 、s i g e b i p o l a r 以及s ib i c m o s 工艺的1 0 g b p s 以上的i c 见文献【1 - 6 】。 为了实现具有我国自主知识产权的商用光纤通信芯片，东南大学射频与光电集成电路研究所通过多年 的努力，采用国际先进工艺成功设计了多种光纤通信集成电路芯片，表1 3 总结了近几年来研究所在分接 器电路研究方面的成果。 表1 3 东南大学射频与光电集成电路研究所分接器电路研究成果 名称 工艺性能指标主要技术 0 2 5 9 mc m o s ，r s m c电源电压：3 3 vs c f l 逻辑： 商速分接器 0 2 5 1 m a工作速率：2 5 g b p s 树行1 ：4 结构； c m o s功耗：7 0 0 r o wp c m l 接口 芯片面积：l x l m m 2 c m o s1 ：4 分接器t s m c 电源电压：2 5 v准静态逻辑； 0 2 5 1 m a工作速率：6 2 2 m b p s 串行1 ：4 结构 c m o s 功耗： 6 8 r o w 芯片面积：o 7 x 0 7 m m 2 1 0 g b p si ：4 分接 t s m c 工作速率：1 0 g b p s s c f l 逻辑： 器o 1 8 u m功耗：4 1 0 r o w树行1 ：4 结构； c m o s 芯片面积：15 0 0 x l3 0 0p c m l 接口 1 0 g b i t s1 ：4 并e d 0 2 a h分接范围：0 3 1 5 6g b i t s s c f l 逻辑： 行分接器 p h e m t 最高分频：8 g h z 并行1 ：4 结构； 电源电压：3 3 v ( 2 2 4 0 ) 四相时钟分频 功耗：5 5 0 m w器 芯片面积：1 0 x 1 0m m 2 4 0 g b i t s1 ：2 分e d 0 2 a h 工作速率：4 0 g b s s c f l 逻辑： 接器p h e m t电源电压：一5 v 和33 v 传输线分接结 功耗：7 2 0 r o w 构 芯片面积：1 8 x 0 9m m 2 4 第一章鳍论 应用于1 0 g t s m c t 作速率：1 0 g b p s s c f l 逻辑i b a s e r 以太网 0 18 9 r n功耗：8 2 0 m w树行1 ：4 结构： 的高速分接电路 c m o s 芯片面积：1 1 0 0 x8 0 0p c m l 接口 由于1 ：1 6 复接器分接器在s d h 中可以跨越一个速率等级进行数据复用，使得1 6 路低速数据通道可 以合并成一路在一条高速通道中传输，增加了传输信道的复用率。表14 列出了一些国外具有代表性的1 ：1 6 分接器，它们大都采用电流模逻辑( s c f l 、e c l 等) ，由于该逻辑的静态功耗不为0 ，因此功耗较大，且 电流模逻辑的使用的晶体管数量较多，面积也较大。此外g a a s m e s f e t 、g a a s h b t 、s i b i p o l a r 、s i g e b i p o l a r 以及s ib i c m o s 等工艺价格昂贵、不易获得。本课题采用的深亚微米c m o s 工艺具有低功耗、低成本、 易于获得的优点，近年来获得飞跃的发展。 表1 4 具有代表性的1 ：1 6 分接器 序号结构电路工艺速率电压直流芯片发表参考 技术 功耗面积年份文献 g b s vw m m 2 1 串行 s c f l 1 9 m m e s f e t 35 22 3 6 x 361 9 8 9 【7 】 2 树行s c f lg a a s4 6 3na ，1 6 14 1x351 9 8 9 【8 】 3 树行 e c l 0 4 1 a ms i - b j t 1 04 51 03 2 x3 21 9 9 4 9 4 树行 d c os ib i p o l a r 1 2 5 3 l 、5n a ，1 9 9 6 【1 0 1 5 树行 e c l 、 1 2 9 mb i c m o s 5 8n 乱 】3 6】9 9 4 f 1 1 t s p c 鉴于s t m l 6 速率等级目前在我国高速网络建设中仍属主流，拥有很大的应用市场，可是尚无国产芯 片推出。两s t m i 速率等级易于解决前端接口的匹配、反射等问题且产品比较成熟，因此采用1 ：1 6 复接器 分接器可以实现1 6 路s t m l 到s t m l 6 的复接与分接，与采用两级1 ：4 复接器分接器( s t m l 到s t m 4 ， s t m 4 到s t m l 6 ) 相比，具有成本低、布线简单、信号损失小、功耗低等优点。正是基于上述原因，本论 文的设计目标是实现s t m l 6 速率等级的1 ：1 6 分接器，尝试在0 2 5 p a nc m o s 工艺下，重点解决降低芯片 面积、降低功耗等问题。本课题对于实现s t m l 6 到s t m l 速率等级的实用的单片分接器研究提供了重要 的参考依据，可以尽决实现具有我国自主知识产权的光纤通信高速芯片，打破境外垄断。 5 丝三兰坌堡璺皇堕坌塑一 第二章分接器电路分析 分接器的功能是把一路高速率信号还原为若干路低速率信号，与复接器一起用于提高传输效率。本章 首先给出了串行、并行和树行分接器的电路结构和工作原理，然后详细分析了分接器电路的各基本单元如 触发器，分频器，单端转双端电路，接口电路的设计思路。 2 1 1 串行分接器 2 1 分接器结构 串行分接器实际上是个串并转换器，以1 ：4 串行分接器为例，电路结构如图2 1 ( a ) 所示，基本电路采 用主从触发器，工作的时序关系见图2 1 ( b ) 。其工作原理是通过一个由三个主从触发器构成的移位寄存器， 使得输入信号与移位寄存器的三个触发器的当前存储信息构成一组连续的四位数据，再通过4 个工作在 c k 4 频率的触发器对该四位数据进行抽样，这样就得到了四路同步的分接数据。d f f 4 7 采用电平触发 方式时，c k 4 为占空比l ：3 的4 分频时钟；若采用边沿触发方式，则可以采用占空比为1 ：1 或1 ：3 的4 分 频时钟，时钟的边沿对齐数据的中央时刻以获得最大的相位裕度。 d i m s d f f l m d f f 2 m s d f f 3 c k c w 4 ( 1 ) c 1 q 4 ( 2 ) c k 4 ( 3 ) c k 4 d i 图2 1 ( a ) 1 ：4 串行分级器结构图 二；二) 、7 万厂义i i 秀o ( l 万? 二二 ( 二二二二二二二、x 、二二二亘二二、 一r。一 k八 d 3 图2 2 ( b ) 1 ：4 并行分接器时序关系 图2 2 ( a ) 中m s d f f l 4 的四路并行判决输出数据并不同步，依次相差9 0 。的相位，因此使用边沿触 发方式的d f f 5 8 对数据进行再定时以同步四路数据输出，同步用的时钟信号可以使用四相四分频时钟 c k 0 c k l 的任一个，然而这种结构对再定时的四分频时钟具有1 ：3 的占空比，设计较复杂( 如2 6 1 节所 述) 。若d f f 5 8 采用边沿触发方式，则用于再定时的时钟信号可毗采用1 ：1 占空比的四分频信号，但必 须通过添加缓冲调节其相位以获得最大的采样相位裕度。 文献( 2 l 】中提出了一种称为多相时钟m p c ( m u l t i - p h a s e c l o c k ) 结构，该电路使用占空比为1 ：1 的四分 8 碰 涨 洲 一 一 一 一 8 兰三童坌堡墨皇堕坌! ! 频时钟，通过对具有0 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。相位偏移的时钟灵活应用，使得四路分接数据同步能够比较容易 得到实现。其电路如图2 2 ( c ) ，图中锁存器l 0 1 和l 0 2 、l 11 和l 1 2 、l 2 1 和l 2 2 、l 3 1 和l 3 2 构成的四个 主从触发器作为4 个并行判决器分别在0 。、i8 0 。、9 0 。、2 7 0 。分频时钟下对输入信号进行采样，锁存器l 0 3 、 l 0 4 、l 1 3 、l 2 3 用于调按相位，同步输出数据，时序工作原理分别如图2 2 ( d ) 。 图2 2 ( c ) 多相时钟1 ：4 分接器结构 c r r c t l ( 哟o f l l - t z ) 9 伊 l ( 嗡1 o f ( 嘲2 7 0 * k o u t q o l 伐o u t 0 1 k o u t q 2 q 3 l n i 1 1 2 1 3 i 獭l b l 铺1 3 瞄liii j j 。 1 j 。j 。 土i j 。 i 上乏i 7 丢z il i | o ! it8 il ii 酞 i 豫 iill j i1 a l 畦l li 1 氟l 8 ；lll i i ；叠 i 1 8 l l1l 龋ll 糖 l fi l ll llil 蠹ll 3 bl l 图2 2 ( d ) 多相时钟i ：4 分接器时序工作原理图 0 0 硒n ，8 ) q 1 f ( b m 恸 q 盘 f ( b w s ) q 8 f ( b l t s ) 并行分接器的特点是结构简单触发器工作在最低的分频时钟频率上，对触发器速率要求小，因此设 - ；t n - 单，且由于工作频率低功耗也较小，可以实现任意i ：n 的分接功能。对于i ：2 分接器，并行结构兼顾 了速率和功耗，是最理想的结构，但对于高阶( 佗4 ) ，由于n 个并行连接的触发器对前级构成较大的电容 负载使得速率提升变得困难，另外这种方法需要对时钟相位进行高精度控制，增加了电路设计的复杂性。 2 1 3 树行分接器 如前文所述，并行方式的1 ：2 分接器是最理想的结构，如图2 3 ( a ) 。d f f l 、d f f 2 构成一个上升沿触 发的主从式触发器，d f f 4 、d f f 5 构成一个下降沿触发的主从式触发器，这样充分利用时钟的两个边沿对 9 查童查堂堡主兰堡垒墨 输入数据分别进行采样，实现了1 ：2 分接功能；为了同步两路输出o u t o 和o u t l ，采用一级锁存器d f f 3 对 超前的上支路延迟半个时钟周期，1 ：2 分接器工作时序示意图见图2 3 ( b ) 。可以看出，这种结构使时钟对 数据选择有较大相位裕度，可提高电路工作速率和可靠性，降低对器件的要求和电路的功耗。 d i c k 图2 3 ( a ) 1 ：2 并行分接器电路结构 d i o k 厂 广 厂 一厂 q 2 q 3 ) 二二) 二亘二 = o 6 9 r 。c ( 2 1 8 ) f p l = 厂( r o p 、c l ) = 0 6 9 屹c t ( 2 1 9 ) 为了达到高速应用，要求尽可能减小时延t p ，可以通过一下几个途径解决： a ) 减小q ：使用小尺寸器件、合理的版图布局都可以减小m o s 管内部源漏扩散电容：改进器件互连方 法，缩短连线长度，减小线电容；减小扇出，对大的负载增加缓冲逐级驱动等措施也有利于扩散电容 的减小。 b ) 增大屯和如：即要求增大w ， 旦增大会加大m o s 管栅电容车源漏电容，桃电容的增加还会增加 前一级电路的负载电容，这些都会造成速度的降低，因此必须仔细的仿真选择合适的缈。反相器 p m o s 与n m o s 栅宽比与时延特性曲线如图2 1 4 所示，可见当夕2 睨2 4 时，有 f ，2 ，p l h ：f p m ，且延时0 接近最小值。 o#一丁注一器一 第二章分接器电路分析 图2 1 4 反相器p m o s 与n m o s 栅宽比与时延特性 c )增加p 么：电源电压的选择是由系统和技术因素决定，每种工艺的额定电源电压都符合一定的工业标 准，对于设计者来说没有太多选择的余地。低的可以降低功耗，提高l c 的集成度。电源电压与时 延特性如图2 1 5 ，可见，随着电源电压的升高，时延b 随之减小，工作速率相应提高。 v o d ( v ) 图2 1 5 电源电压与时延特性 ( 3 ) 二阶性能： 输入信号t b _ k 升下降时间：上面一阶的分析均是在假设输入信号是阶跃信号，实际的信号总存在一定 的上升下降时间，该时间的存在会增加电路的充放电时间。非零上升时间的输入信号经过反相器的延 r ：一 时f p 阳。卅= r 缸觚目+ 一2 j 2 ( 见图2 1 6 ) ( 2 ，2 0 ) 同j 羊，f 帅。u = 娜利+ 吩2 j 2 ( 2 2 1 ) 因此为了减小延时，要尽可能增加输入信号的陡度，可以在信号的输入端加上高速整形缓冲电路( 例 如，输入端加一个反相器) 。此外，小的上升下降时间也有利于降低功耗，见2 3 3 节。 譬 s i j 图2 1 6 上升沿对延时的影响 1 7 一j口些eou) 堡堕查兰堡主兰竺堡奎 源级电阻：对于流过大电流的宽m o s 器件，其源漏极寄生电阻不能忽略，它从两个方面影响饱和电 流值：一方面，电流流过源极电阻r s ( 或漏极电阻肋会产生压降，过驱动电压值r 睁一n j 在栅电 压坛不变的情况下瞄减小，造成饱和电流减小；另一方面，由于n m o