（微电子学与固体电子学专业论文）基于sublvds技术的高速io接口芯片设计.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：# 2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权传签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 董巍 2 0 1 0年5 月2 9 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目基于s u b l v d s 的高速i 0 接u 芯片设计 姓名 萤巍l 学号l 2 1 2 0 0 7 0 2 2 3 答辩u 期i2 0 1 0 年5 月2 9 口 论文类别博上口学历硕七团硕上专业学位口高校教师口m 等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业微电了学j 固体电子学 联系电话 1 3 6 1 2 1 5 8 1 1 0 e m a i l 1 3 6 1 2 1 5 8 1 1 0 1 3 9 c o m 通信地址【邮编) ：南开人学泰达学院微电了学研究所 备注：足否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书馆，非公开学位 论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 董巍 2 0 1 0年5 月2 9 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制 l - 2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 近年来，随着集成电路制造技术的不断进步，电子产品向便携化和小型化 发展的趋势非常明显，在此基础上中央处理器和专用芯片的工作速度大幅提高。 同时，芯片间以及芯片和外围电路间的数据传输速度，成为了制约系统带宽提 高的主要瓶颈，目前存在的并行接1 2 1 以及点对点物理层接口如r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、 s c s i 以及其它数据传输标准在速度、噪声、e m i 、功耗、成本等方面所固有的 限制越来越难以胜任此任务，采用新的技术解决i o 接口问题成为必然趋势。 超低电压差分信号( s u b l v d s ，s u bl o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 传输标 准作为一种低电压摆幅的串行接口方式，具有低功耗、低噪声、低成本等优点， 特别适合于数据量大但传输距离较短的便携设备应用。 在这样的背景下，本论文对数据率1 8 g b p s 2 4 g b p s ，用于f p d 1 i n k 的 s u b l v d si o 接口芯片进行了理论研究，基于s m i c0 1 8 u mc m o s 数模混合工 艺，对s u b l v d s 数据传输接口的模拟电路部分进行了设计实现和系统仿真。系 统模块主要包括：偏置电路模块，包括带隙基准和稳压电路；数据发送器模块， 使用共模反馈保证输出共模电平稳定，并通过一种新颖的跨导补偿结构设计， 在保证信号摆率的前提下，降低预放大级输入电容，从而达到降低非理想传输 线干扰和减小功耗的目的；数据接收器模块，采用高输入摆幅预放大单元和高 速迟滞比较器的级联设计，具有较高的抑制输入噪声的能力；电荷泵锁相环倍 频模块，着重于低压低功耗设计，输入频率范围6 0 m h z 8 0 m h z ，输出 6 0 0 m h z 8 0 0 m h z 稳定的时钟脉冲，作为发送端和接收端的数据串行同步时钟。 以上各部分电路，通过c a d e n c es p e c t r e 的前端仿真，结果表明各项参数完全符 合设计要求。 关键词：超低压差分信号带隙基准发送器迟滞比较器锁相环摆率控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i 曲l e v e lo fs i l i c o ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , t h eo n c h i po p e r a t i o n f r e q u e n c yo fm i c r o p r o c e s s o r a n da s i ci n c r e a s e dal o t ，w h i c hb r o u g h tg r e a t d e v e l o p m e n to np o r t a b l ed e v i c ei nt h ep a s td e c a d e a sar e s u l t ，o f f - c h i pd a t ar a t e b e c o m e st h eb o u l e n e c kt ot h ei n c r e a s i n gs y s t e md a t ab a n d w i d t h w h e r e a sh o d i e m a l p a r a l l e lo rp o i n t t o p o i n tp h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e s ，w h i c hc o n s t r a i n e db yt r a d e o f fo f s p e e d ，n o i s e ，e m i ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dc o s t ，h a v en e v e rs o l v e dt h i sp r o b l e m ， n e e df o rh i g h s p e e do f f - c h i pc a p a b l eo fd e a l i n gw i t hg b p sd a t ar a t eh a sc o m eu p t h es u bl o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ( s u b l v d s ) s e r i a ll i n k ，w i t hi t sl o w v o l t a g es w i n g ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wn o i s ea n dl o wc o s t ，i s s u i t a b l ef o r a p p l i c a t i o n si nw h i c ht h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei ss h o r ta n d d a t av o l u m ei sh u g e ，l i k e m o b i l ee q u i p m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h en o v e ls u b l v d si oi n t e r f a c ew i t hd a t ar a t e o f1 8 g b p st o2 4 g b p s ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nf p d - l i n k ( f l a tp a n e ld i s p l a y - l i n k ) s y s t e m i ta l s op r e s e n t sc i r c u i td e s i g na n ds i m u l a t i o no nt h ea n a l o gs e c t i o no fw h o l e s u b l v d ss e r i a ll i n ks y s t e m b a s e do nt h es m i c0 18 u mc m o sp r o c e s s t h eh o l i s t i c d e s i g nc o n t a i n sf o u rp a r t s ：t h eb i a ss e c t i o n ，w i t hb a n d g a pa n dr e g u l a t o rt op r o v i d e p r e c i s ev o l t a g ea n dc u r r e n tb i a s i n g ；t h et r a n s m i t t e rs e c t i o n ，i n c l u d eap r e d r i v e ra n d a no u t p u td f i v e r ，w h i c hu s e sn o v e lg mc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u et oc o n t r o lt h eo u t p u t s l e wa n dd e c r e a s ei n p u tc a p a c i t a n c e ，t h u st h ei m p e d a n c em i s m a t c he f f e c tb e t w e e nt h e t r a n s m i t t e ra n dt h el i n ec a nb er e d u c e d t h et r a n s m i t t e ra l s ou s e sac m f b c i r c u i tt o c o n t r o lt h eo u t p u tc o m m o n m o d ev o l t a g e ；t h er e c e i v e rs e c t i o n ，c o n t a i n saf u l l s w i n g p r e a m p l i f i e rw o r k i n gw i t hah y s t e r e s i sc o m p a r a t o rt ob r i n g n o n - d e s t r u c t i v ed a t a r e c o v e r y , c a np r o v i d e v a l i dc o m m o n m o d en o i s es u p p r e s s i o n ；t h el o w - v o l t a g e l o w p o w e rc h a r g e p u m p p l lf r e q u e n c ym u l t i p l i e r , w i t h6 0 m h z 。8 0 m h zi n p u t f r e q u e n c yr a n g ea n d6 0 0 m h z 一8 0 0 m h zo u t p u tr a n g e ，c a np r o v i d ep r e c i s ep i x e lc l o c k u s i n gi ns e r i a ld a t as y n c h r o n i z a t i o ni nt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r s e c t i o n a f t e r i i _ _ _ _ _ _ _ - - i - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ l _ _ - _ _ l l _ _ _ _ 。- - _ - 。- i _ _ _ _ - - _ 。_ _ _ 。_ _ 。- 。_ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - 。- _ 。1 。一一 c i r c u i td e s i g n e da n ds i m u l a t e db yc a d e n c es p e c t r e ，t h ew h o l es y s t e ma c h i e v e s d e s i r e df u n c t i o na n de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：s u b l v d s ，b a n d g a p ，t r a n s m i t t e r , h y s t e r e s i sc o m p a r a t o r , p l l ，s l e w c o n t r o l i l l 目录 目录 第一章绪论1 第一节课题研究背景1 第二节l v d s 原理及发展现状2 1 2 1l v d s 基本原理2 1 2 2l v d s 标准及设计参数3 1 2 3 基于s u b l v d s 的f p d l i n k 产品4 第三节系统总体设计5 1 3 is u b l v d si o 接口总体设计5 1 3 2 设计环境和工艺介绍7 第四节课题研究方向及论文结构8 第二章偏置电路设计11 第一节偏置电路原理1 1 2 1 1 负温度系数电压一l l 2 1 2 正温度系数电压1 2 2 1 3 带隙基准和p t a t 电流1 2 2 1 4 低压线性稳压器原理1 4 第二节偏置电路设计1 6 2 2 1 偏置屯路总体设计1 6 2 2 2 带隙基准模块设计1 7 2 2 3 稳压模块设计l8 第三节偏置电路仿真及验证2 l 2 3 1b a n d g a p 仿真结果2 l 2 3 2 稳压电路仿真结果2 3 第三章s u b l v d s 驱动电路的设计2 7 i v 目录 第一节s u b l 、，d s 驱动器的工作原理2 7 第二节现有驱动电路结构及存在问题2 9 第三节摆率补偿式s u b l v d s 驱动器设计3 l 3 3 1 前级缓冲电路31 3 3 2 驱动电路和共模反馈3 3 3 3 3 摆率补偿的驱动器优化结构3 5 第四节仿真及结果分析3 8 3 4 1 缓冲级电路仿真3 8 3 4 2 数据发送器仿真3 9 第四章s u b l v d s 接收系统的设计4 2 第一节s u b l v d s 接收器原理4 2 第二节高速预放大比较器的电路实现4 3 4 2 1 前置预放人级4 3 4 2 2 带迟滞功能的判断级4 4 4 2 3 输出缓冲电路4 6 第三节接收端及系统总体的仿真验证4 7 第五章高性能锁相环倍频器设计5 3 第一节锁相环电路的原理和结构5 3 5 1 1 时钟同步结构中的锁相环原理5 3 5 1 2 鉴频鉴相器( p f d ) 工作原理5 5 5 1 3 电荷泵( c p ) 工作原理5 6 5 1 4 环路滤波器( l p f ) 工作原理5 7 5 1 5 压控振荡器( v c o ) 工作原理5 8 第二节锁相环倍频器电路设计6 0 5 2 1 锁相环系统模型和参数计算6 0 5 2 2 鉴频鉴相器的电路实现6 2 5 2 3 电荷泵的电路实现：一6 4 v 目录 5 2 4 压控振荡器的电路实现6 5 5 2 5 分频器的电路实现6 8 第三节锁相环系统仿真及验证7 0 5 3 1 鉴频鉴相器仿真7 l 5 3 2 电荷泵仿真7 2 5 3 3 低通滤波器仿真7 2 5 3 4 压控振荡器仿真7 3 5 3 5 锁相环倍频器整体仿真7 4 第六章总结与展望7 7 参考文献7 9 致谢8 2 个人简历、学术论文与研究成果8 3 v i 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究背景 近年来，随着半导体工艺的发展，中央处理器( c p u ) 和专用芯片( a s i c ) 的工作频率越来越高。现代高性能微处理器的速度已经突破2 g h z ，对于计算机 间的互连、计算机与外围设备间的互连等应用，不同的距离范围都将需要g b p s 级的互连带宽。但是常规的c m o s 和t t l 信号由于其自身的电路特性和信号特 点，很难在芯片外部进行2 0 0 m h z 以上的信号传输，如果采用降低芯片外部工 作频率以匹配外围电路的做法，就会大大限制了微处理器高速性能的发挥。芯 片与芯片间以及芯片与外部物理层接口间的数据传输速度差异已经成为影响系 统性能的一个瓶颈。 同时，互联网和移动通信领域技术的不断成熟，也带来了电子设备日益小 型化和便携化的发展趋势，如手机，数码摄像机，上网本，g p s 等设备，无一 例外的采用高分辨率液晶平板显示屏，以便于文字，图片，视频等信息可以实 时的显示在使用者面前。尺寸，色阶，分辨率越来越高的显示屏，造成了显示 芯片和液晶背板数据流量的激增，也造成了传输速度和系统功耗及信号的电磁 兼容性之间的设计矛盾，传统的并行接口传输方式，由于占用芯片面积大，布 局布线复杂，很难应用于便携产品，而高摆幅的串行接口方式如r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、 s c s i 等，由于和高摆幅带来的速度、功耗和噪声问题，显然也不适应平板显示 领域的上述设计要求。 为进行高速数字信号的传输，国际上提出g t l ( g u n n i n gt r a n s c e i v e rl o g i c ) ， c m l ( c u r r e n tm o d el o g i c ) ，p e c l ( p s e u d oe c l ) ，l v c ( l o w v o l t a g ec m o s ) ， b t l ( b a c k p l a n et r a n s c e i v e rl o g i c ) 及l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 等多种电平形式，这些信号都采用低压低摆幅的传输方式，其中l v d s 通用接 口标准，由于实现高速度、低功耗、低噪声以及低成本的优点，在高性能计算 机、无线电通信、显示及消费电子等领域得到了广泛的应用。 第一章绪论 第二节l v d s 原理及发展现状 1 2 1l v d s 基本原理 l v d s ( 1 0 wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 是一种低摆幅差分数据传输技术，其 核心是采用低至3 5 0 m y 的输出电压摆幅，在p c b 连线或者平衡电缆上差动的传输 高速数据，可以实现点到点或一点对多点的连接。 l v d s 技术的基本原理如图1 1 所示，在发送端t x ，输入的c m o s 信号或t t l 信号经变换成为两个互为反相的开关信号，分别驱动两对m o s 开关导通或关闭， 如输入信号为高电平，则m 2 和m 4 导通，m l 和m 3 截止，反之如输入信号为低电平， 则m l 和m 3 导通，m 2 和m 4 截止，这样就输出了极性相反的电流模l v d s 信号。两 条差动传输线间通常跨接一个中止电阻，一般为1 0 0q ，它的作用是使恒流源i d d 产生的电流模信号流经两个导通m o s 管，从电源到地之间形成一条回路，并在 电阻上产生极性相反、摆幅很低的电压信号。由于电压摆幅很低，所以接收端 的0 、1 信号的摆率可以非常快，这样就达到了高速传输的目的。接收端r x 对l v d s 信号进行数据恢复、锁存和放大等处理后，将低摆幅串行数据还原为c m o s 信号 或t t l 信号。 图1 1l v d s 传输原理图 2 第一章绪论 l v d s 技术作为点到点高速i o 接口的首选标准，具有低功耗、低误码率、低 串扰和低辐射等特点1 】 【3 1 ，主要表现在： 1 低功耗 l v d s 信号采用电流驱动，以开关电流i d d = 4 0 m a 为例，在接收器1 0 0q 的中 止电阻上产生的功耗仅为1 6 m w ，而且在高频工作时恒流源i d d 几乎不受频率影 响，与之相比，t t l c m o s 收发器的动态功耗相对频率呈指数上升 2 低供电电压 由于发送器和接收器不依赖于特定的供电电压，所以电源电压可以降到很 低的程度，减少了高密度集成电路的功率消耗和芯片内部的散热压力。 3 较高的传输质量 差动l v d s 信号由推挽式的电流驱动器驱动，电流从电缆的一端流入从另一 端流回，因此在一对双绞线中电流大小相等方向相反，产生的e m i ( 电磁干扰) 和差动噪声被抵消，有效提高了信号质量。同时，差分信号可以承受高电平的 切换噪声，因而能用大规模数字电路进行可靠的集成，实现完整的芯片接口系 统。 4 时序定位精确 差分信号的开关变化是位于两个信号交点，而不像单端信号依赖于阈值电 压判定，受工艺，温度影响较小，减少了时序误差。 5 低成本 l v d s 器件采用经济的c m o s - i - 艺制造，用低成本的电缆线和连接器件就可 以达到很高的速率。由于功耗较低，电源，风扇等其他散热开销就大大降低。 同时，l v d s 内集成的串行化器和解串器使它能在一个芯片上集成许多信道。较 窄的链路大大减少了引脚数量和链路的总费用。 基于以上优点，l v d s 技术完全可以满足现阶段各种分辨率显示屏的数据传 输要求。 1 2 2l v d s 标准及设计参数 l v d s 的技术标准主要包括t i a e i a ( 电讯工业联盟电子工业联盟) 的 a n s i t i 觚i a 一6 4 4 标准，以及i e e e1 5 9 6 3 标准，两个标准主要定义了l v d s 的物理层接口的电气规范，包括驱动器输出和接收器输入的电气特征，但不包 第一章绪论 括功能性的规范、传输协议或传输介质特性。这意味着传输介质只要在指定的 噪声容限内，信号均可发送到接收端，这种对传输介质要求不高的接口技术极 大的方便了数据传输，更有利于在恶劣的环境下使用，因此保证了l v d s 能够 成为广泛的、多用途的接口标准。 a n s i t i a e i a - - 6 4 4 标准由美国国家半导体公司在1 9 9 5 年推出【lj ，标准推 荐的最高数据传输速率是6 5 5 m b p s ，而理论上，在一个无衰耗的传输线上，l v d s 的最高传输速率可达1 9 2 3 g b p s ，标准主要内容见表1 1 【2 】。本文的系统各模块设 计参数根据表格中列出的标准进行了分析和优化，具体将在后文给出。 表1 1a n s i t i a e i a 6 4 4 标准定义的l v d s 接口参数 参数 名称最小值最人值单位 v o d差分输出电压 2 4 74 5 4m v v o s共模电压 1 1 2 51 3 7 5 v a v o d 差分输出电压漂移 5 0m v v o s 共模电压漂移 5 0m v i ，i s b 短路电流 2 4m a 飞汗f 上升时间下降时间2 0 0 m h z o 2 61 5n s 弋n t 上升时间下降时间2 0 0 m h z o 2 60 3b i t t i m en s i i n 输入电流 2 0 pa 闽值电压1 0 0m v v i n输入电压范同 o2 4 v 1 2 3 基于s u b l v d s 的f p d l i n k 产品 s u b l v d s 被称为超低压差分信号，其基本原理与l v d s 相同，只是采用了 更加先进的工艺和设计方法，将供电电压从2 5v 降到1 8v ，输出电压摆幅v o d 从3 5 0m v 降为1 5 0m v ，而输出共模电平v o s 从1 2 5 v 降到9 0 0 m v ，在此基础 上系统功耗进一步降低，数据传输速率可以升高到单差分线6 0 0 m b p s - 1 g b p s 。 在平板显示领域，由于显示屏的面积越来越大，g p u ( 图象处理器) 到f p d ( 平板显示) 所要传输的数据量就要大大增加，以现在流行的1 6 0 0 1 2 0 0 4 第一章绪论 ( u v g a ) 宽屏显示器为例，如果每个像素点包含8 b i t 数据，而场频是8 5 h z 的 情况下，面板正常显示所应达到的数据传输速度应至少为1 3 g b p s 。基于数据传 输量的不断扩大，美国国家半导体公司( n s c ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r c o r p o r a t i o n ) 和日本几家笔记本电脑生产商合作，定义了f p d l i n k 标准用于平 板显示器的链接。f p d l i n k 芯片组可在较小的介面上支持s v g a 、x g a 与s x g a 等高分辨率的面板，提供低e m i 和低功耗的接口解决方案，从而简化笔记本电 脑或翻盖手机的转轴设计。 市场上基于l v d s 的f p d l i n k 芯片组主要有n s c 的 d s 9 0 c f 58 3 d s 9 0 c f 58 4 以及d s 9 0 u r 9 0 5 q d s 9 0 u r 9 0 6 q 等型号，对于2 4 - b i t 彩色信号可以提供2 0 m h z - 6 5m h z 像素时钟频率下1 8 g b p s 的最高传输速率。 而基于s u b l v d s 的平板接口芯片种类并不多，比较常见的有t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ) 公司2 0 0 6 年推出的f l a t m 3 g 系列串行数据接口芯片i 引，主要用于 手机上显示芯片到l c d 屏幕( 分辨率为q v g a 到x g a ) 之间的数据传输。其 中三通道可编程数据收发器s n 6 5 l v d s 3 0 1 、s n 6 5 l v d s 3 0 2 ，在1 8 v 电源电压 下，锁相环锁定频率范围为4 m h z 3 0 m h z ，串行时钟的最高频率可达9 0 0 m h z ， 传输3 0 b i t 串行数据的最高速率可以到达1 7 5 5 g b p s ，而噪声底限约为1 0 5 d b m ， 谐波不足9 5 d b m ，有很低的e m i 特性。f l a t 3 g 器件与日立显示器件、瑞萨科 技l c d b u 、三星s d i 以及三洋爱普生等制造商推出的显示模块全面兼容。 相比之下，我国公司和科研院校在这方面的研究只处于起步阶段，本课题 注重于研究一种应用于f p d 平板显示数据传输，基于s u b l v d s 标准的高速i o 接口芯片，具有很重要的科研价值。 第三节系统总体设计 1 3 1s u b l v d si o 接口总体设计 基于s u b l v d s 的接口芯片的主要结构如图1 2 所示【4 】，系统主要包括：偏 置电路，并串转换器，发送器模块( t x ) ，接收器模块( i ) ，串并转换器，p l l 时钟控制单元和外围控制保护电路组成。传输接口处理的是从显示芯片g p u 输 入的并行2 4 b i tr g b 数据( 6 位色彩深度模式) 、3 - b i t 控制信号、1 - b i t 奇偶校验 位，以及2 - b i t 保留位，共3 0 - b i t 并行c m o s t t l 信号。输入的像素时钟p c l k 5 第一章绪论 频率范围为6 0 m h z 8 0 m h z ，由锁相环锁定后，1 0 倍频产生6 0 0 m h z 8 0 0 m h z 的高速串行时钟信号，并串转换器在串行时钟作用下，将输入的3 0 - b i t 并行数据 转化为3 1 0 b i t 的串行数据1 3 j 。三个数据发送器将一路串行的c m o s t t l 信号 转换成差分s u b l v d s 信号，分别在三条差动数据线上进行传输，并通过预处理 等手段保证差分信号质量。 在接收端，由于后端显示模块需要精确的像素时钟，而从高速数据中提取 时钟信号又会带来较大误差，所以采取了用一条单独的差动数据线传输低频像 素时钟信号，并在接收端通过倍频产生同步数据时钟的方法，这样不但提高了 时钟信号的精确性，也降低了由于时钟恢复电路所带来的设计复杂度和额外功 耗。数据到达接收端后，接收器对低摆幅数据进行锁存、放大，转化为一路串 行c m o s t t l 信号。像素时钟通过锁相环1 0 倍频后产生串行同步时钟，驱动串 并转换电路输出还原的3 0 b i tr g b 并行c m o s t t l 数据，这些数据和像素时钟 信号p c l k 一起驱动后级t f t - l c d 显示模块正常工作。 此外，系统还包括一些外围控制电路，一般为数字电路，主要起到控制芯 片的状态、降低功耗和保护电路的作用。 6 第一章绪论 图1 2s u b l v d s 接口的系统设计框图 1 3 2 设计环境和工艺介绍 本课题的设计属于全定制集成电路设计，工作平台为u n i x ，使用c a d e n c e i c 5 0 3 3 集成环境进行设计。电路图的输入使用c o m p o s e r ，可以方便的编辑和修 改电路图，并导出网表。电路仿真采用s p e c t r e 仿真软件，用来验证电路的功能 指标是否符合设计要求，仿真包括交流、直流和瞬态仿真等，可以通过输出图 表和数据详细描述电路的工作状态。 集成电路可以用多种工艺来实现，如c m o s 、b i p o l a r 、b i c m o s 或g a a s 工艺。g a a s 工艺一般用于高频高速信号的处理，如射频前端器件和手机功放等， 成本很高，不适用于实验研究。b i p o l a r 器件是电流驱动器件，它的正常工作需 7 第一章绪论 要直流和交流电流来驱动，所以双极型电路的功耗较大。其次，用b i p o l a r 器件 设计驱动或开关电路时，由于三极管的饱和会限制电路的工作频率。但是b i p o l a r 器件的温度特性较好，所以可以用于偏置电路中基准模块的设计 c m o s 工艺的集成度要大于b i p o l a ri 艺，较少的工艺步骤带来了芯片面积 和成本的降低，c m o s 器件为电压控制器件，可以带来全摆幅的开关动作和较 低的静态动态功耗，适合在高频应用中作为逻辑开关使用。 b i c m o s 工艺将b i p o l a r 工艺和c m o s 工艺兼容，在同一芯片上以一定的电 路形式将双极型电路和c m o s 电路集成在一起，兼有高密度、低功耗和高速大 驱动能力等特点。但是它的制造工艺复杂，芯片上可能产生的缺陷也就多，而 且成本方面要高于c m o s 工艺。 表1 2s m i c0 1 8l amc m o s i 艺参数表 参数意义典型值单位 l m i n 最小栅k1 5 x1 0 。7 m w m i n最小栅宽 1 9 x1 0 。7m n m o s 阂值电压0 4 0 v v 帅 p m o s 阈值电压 0 3 9 5 v c g s n ，c g 血 n m o s 栅源电容和栅漏电容3 7 1 0 。l o f c m 2 c g s p ，c g 却 p m o s 栅源电容和栅漏电容 4 2 1 0 l of c m 2 t 0 ”n m o s 栅氧化层厚度 3 8 7 1 0 9m t o w p m o s 栅氧化层厚度3 7 4 l o 。9 m un n m o s 迁移率 3 4 1 0 2c m 2 s u p p m o s 迁移率8 6 6 1 0 。3c m 2 厂v s 综上所述，在显示单元接口电路的设计上，c m o s 工艺在摆幅、速度、功 耗、成本等方面都具有绝对的优势，因此本课题采用了s m i c ( 中芯国际) 0 1 8 l amc m o s 工艺，该工艺包含两层多晶硅，四层金属，并按不同的耐压值划分 m o s 管种类，根据不同种类对典型参数值进行变化，其典型参数见表1 2 。 第四节课题研究方向及论文结构 s u b l v d s 接口电路结构比较复杂，其中发送器、接收器和偏置模块是典型 的模拟电路；并串转换模块、串并转换模块和状态控制模块是数字电路；而锁 相环倍频器是数模混合电路，这些是无法使用厂家提供的标准单元的，需要专 门设计，在版图和后仿真上增加了设计难度。本设计的重点是接口系统中的模 8 第一章绪论 拟电路单元和锁相环倍频单元的电路设计与仿真验证，其中s u b l v d s 数据发送 器和接收器的具体参数见表1 3 。与a n s i t i e i a 一6 4 4 标准相比，本课题在传 输速度、摆幅、信号质量、功耗上的设计要求都有所加强。 表1 3s u b l v d s 接口设计指标 名称最小值典型值最人值单位 电源电压 1 6 51 81 9 5 v 电源噪声 2 02 0m v 工作温度 - 4 01 0 0 发送器共模输出电压 o 80 91 0v 发送器著模输出电压 1 0 01 5 02 0 0m v 发送器共模电压波动值 1 0l om v 发送端匹配电阻 4 09 01 9 0 q 发送信号差动上升时间( 2 0 0 0 - 8 0 ) 3 0 05 0 0 p s 发送信号差动下降时间( 2 0 0 0 - 8 0 ) 3 0 05 0 0 p s 发送器数据传输速率( 单条数据线) 6 0 08 0 0 m b p s 发送器串并转换时钟频率 6 0 08 0 0m h z 发送端电流源 1 o1 52 0m a 接收器共模输入电压 0 60 9l 。2v 接收器共模电压波动值 1 01 0m v 接收器输入阈值电压 5 0 5 0m v 接收器差动输入电压 7 0 1 0 02 0 0m v 接收器中i ：电阻 8 01 0 01 2 0 q 接收端电流 4 0m a 本论文主要结构如下： 第一章是绪论，分析了课题的研究背景和发展现状，介绍了用于f p d l i n k 9 第一章绪论 显示驱动的s u b l v d s 接口电路的基本结构以及电路设计应该满足的电特性。列 出了论文结构。 第二章讨论整个系统偏置模块的设计，包括带隙基准电路和稳压电路的性 能指标和原理，并根据原理做出电路设计和仿真验证。 第三章讨论s u b l v d s 接口驱动电路的实现。首先介绍了几种驱动电路的实 现结构，对这些结构对本设计的适用性进行分析，在此基础上提出一种摆率补 偿的驱动器设计方案，并进行仿真和验证。 第四章讨论s u b l v d s 数据接收器电路的实现。设计了一种基于预放大和高 速迟滞比较器的接收器结构，并进行工艺角和极限温度、极限电源波动情况下 的电路仿真。 第五章对锁相环时钟信号产生电路的原理和系统参数进行分析，设计和验 证了各个子模块，最后对系统做出优化。 第六章提出总结与展望。 l o 第二章偏置电路设计 2 1 1 负温度系数电压 第二章偏置电路设计 第一节偏置电路原理 p n 结二极管的正向电压，具有负温度系数5 1 。双极型晶体管集电极的电流 可以表示为： 其中： 纠s 唧 ， k t = 一 g ( 2 1 ) ( 2 2 ) 因此饱和电流i s 司以表不为： 驴x p ( 鲁】 ( 2 - 3 ) 其中聊一3 2 ，e 。为硅的带隙能量，约为1 1 2 e v ，b 是一个比例系数。对 求温度的导数，可以得到的温度系数，表达式为： 篮：a v r1 n 生一生 ( 2 4 ) a tc 3 t i s ls 对式( 2 3 ) 求温度的导数，得到： 券却砷撕e x - e g ) + b t 4 + me x p ( 鲁胳 汜5 ， 将式( 2 5 ) 代入式( 2 4 ) ，可以得到： 等：雉_ ( 4 + 峰咋：型掣幺6 ， 第二章偏置电路设计 根据式( 2 6 ) ，可以看出具有负温度系数，并且系数本身与温度有关， 这就表明如果电路中正温度系数设定为恒定值，则基准电路会产生误差。在室 温情况下，t = 3 0 0 k ，7 5 0 m v ，贝, l l0 6 l o t = - 1 5 m 吖k 。 2 1 2 正温度系数电压 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的差值就与 绝对温度成正比，如图2 1 所示【8 】，其中0 1 的发射结面积为0 2 的n 倍： = ：一，= 巧n ( 每) _ 巧- n ( 每 = 巧n ( 每 = - 肋 c 2 m 丝鳖：一k l n ，z ( 2 8 ) o t g 这样，就表现出正温度系数。 r 1 a 图2 1 带隙基准原理图 2 1 3 带隙基准和p t a t 电流 带隙基准的基本原理是将正负温度系数电压以不同的权重相加，使的 正温度系数正好抵消的负温度系数，得到一个与温度无关的基准电压9 1 。基 准电压的表达式为： = + 口2 = + 口2 以i n n ) ( 2 9 ) 其中a