（微电子学与固体电子学专业论文）用于cdrrw驱动系统的模拟前端处理器电路的设计.pdf

摘要 摘要 随着多媒体技术的不断进步，c d - r / r w 作为存储媒介得到越来越广 泛的应用。 在c d - r / r w驱动系统中， 模拟前端处理器对其性能影响很大。 本文基于c mo s 工艺设计实现了一个应用于c d - r / r w驱动系统的高性能 低功耗的模拟前端处理器，它包括参考电源产生模块、采样/ 保持和运算 矩阵模块、聚焦和循迹模块、r f均衡模块、预刻槽绝对时间模块、自动 光功率控制模块、检测电路模块、优化功率控制模块、多路选择模块和 寄存器模块等 1 0 个部分。它可以完成所有 c d - r / r w模拟前端信号处理 所需要的功能，它支持最快 4 8倍速的读操作和最快 2 4倍速的写操作， 支持恒定线速度 c l v和恒定角速度 c a v两种工作模式。 关键词:c d - r / r w 模拟前端处理器运算放大器 浦波器 功耗 人b s t r a c t abs tract a s t h e m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y e v o l v e s , c d - r / r w p l a y s a m a j o r r o l e i n t h e m a s s i v e d a t a s t o r a g e m e d i a . s i n c e t h e a n a l o g f r o n t - e n d p r o c e s s o r i s v e r y i m p o r t a n t i n c d - r / r w d r i v e r s y s t e m, t h e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f a h i g h - p e r f o r ma n c e a n d l o w - p o w e r c mo s a n a l o g f r o n t - e n d p r o c e s s o r a p p l i e d t o c d - r / r w d r i v e r s y s t e m i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . t h e f r o n t - e n d p r o c e s s o r c o n s i s t s o f a r e f e r e n c e g e n e r a t o r , a s a m p l e / h o l d a n d m a t r i x a r i t h m e t i c c i r c u i t , a f o c u s a n d t r a c k m o d u l e , a n r f e q u a l i z e r , a n a t i p m o d u l e , a n a u t o l a s e r p o w e r c o n t r o l l e r , d e t e c t i n g c i r c u i t s , a n o p t i m u m p o w e r c o n t r o l l e r , a m u l t i p l e x e r a n d s o m e r e g i s t e r s . i t i n c o r p o r a t e s a l l r e q u i r e d f u n c t i o n s f o r c d - r / r w f r o n t - e n d s i g n a l p r o c e s s i n g . i t s u p p o r t s 4 8 x f o r r e a d m o d e a n d 2 4 x f o r w r i t e m o d e . i t s u p p o r t s c l v ( c o n s t a n t l i n e a r v e l o c i t y ) a n d c a v ( c o n s t a n t a n g u l a r v e l o c i t y ) mo d e s . ke y w o r d : c d - r / r w a n a l o g f r o n t - e n d p r o c e s s o r o p a f i l t e r p o w e r c o n s u mp t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果;也不包括为获得西安电子科技大学和 其他教育机构的学位证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任. 本人签名食食 司 j日期: 2 0 0 ; ， 1 . 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电 子科技大学的有关保留和使用学位论文的规定，即:研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电 子科技大学。 本人保证 毕业离校后， 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电 子科技大学. 学校有权保留 送交论文的复印 件， 允许查阅和借阅论文:学校可以 公布论文的 全 部或部分内 容， 可以 允许采用影印、 缩印 和其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在 解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 食间 j 书笃 生- 日 期 : 圣 0 0 查 一 亘 日期: 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 光盘驱动器的发展 提 起光 盘驱动器 ( o p t i c a l d i s k d r i v e r ) ， 大家首先想到的 往往是c d唱 机、 v c d 影碟机等消费类电子产品，而对于计算机用光盘驱动器，即使是计算机用户，认 识最多、 使用最多的恐怕也只有c d - r o m驱动器了。 其实， 光盘驱动器自8 0 年 代初进入计算机领域后便以其体积小、容量大、介质可换、数据保存期长、工作 安全可靠、 价格低廉以及应用多样化等优点成为计算机系统的重要外部存储设备， 不论是技术还是应用都取得了长足的进步。计算机用光盘驱动器种类繁多，归纳 起来主要有c d - r o m驱动器、 c d - r / r w驱动器和d v d驱动器等几种类型， 其中 c d - r o m 驱动器已 成为电脑的标准配置，c d - r / r w 驱动器正受到越来越多的关 注。 c d - r o m驱动器 起源于飞 利浦公司 ( p h i l i p s ) 2 0 世纪7 0 年 代开发的c d数 字 激 光 唱 机 ( c d - d a ) ， 其最 大 特点 是 采 用了 非 接 触 式 光 头 读 取 方式， 使 音 质、 容 a 等 性 能得到提高。由 于c d - d a上的数字记录原理与计算机的数字记录原理完全相同， 因此， c d数字激光存储技术很快被计算机工业所采纳。自1 9 8 5 年飞利浦公司和 索 尼公司 ( s o n y ) 公 布了c d - r o m光盘 标准以 来， c d - r o m驱 动器便以 其存 储容 量 大、信息保存寿命长、便于复制等特点在计算机领域得到迅速发展， 很快便成为 电脑的标准配置。其应用也遍布了各个领域，尤其是数据库、语音、多媒体等需 要大容量存储空间和需要长期保存的 信息， 都适合于c d - r o m光盘. 广泛的 应用 领域、巨 大的市场前景， 促进了c d - r o m技术的发展，相继出现了c d - i , v c d , p h o t o c d等相关产品。 随 着c d - r o m光盘驱动器的 普及应用，人们已 不满足仅仅读取c d - r o m光 盘上的预存信息， 而是希望将信息记录在c d光盘上， 制作自 己 需要的c d光 盘。 1 9 8 8 年，日 本t a i y o y u d e n 顺 应 形势， 首 先 发 布了c d - r 驱 动 器。 1 9 9 0 年， 飞 利 浦公司和索尼公司发布的橘皮书成为第一份有关 c d - r标准的规范文件，它定义 c d - r光盘可用于任何一台光盘驱动器， 还定义了多段式写入c d 一的全新档案系 统。 此后， c d 一光盘及其驱动器得到了 快速发展。 c d 一光盘是将光吸收材料( 有 机 染 料 ) 及 光 反 射 材 料 镀 在 刻 有螺 旋 形 预 刻 槽的 空白 盘 基 上， 经由 驱 动 器中 的 激 光 头发出 较高功率激光束来照射预刻槽中的有机染料，使其溶解并形成凹坑，从而 将信息直接写在光盘上，利用激光头检测反射光信号即可读出信息. 但是，由于 有机染料层在写入信息后不能复原， 所以c d - r盘只能写一次。 c d - r驱动器的随机存取特性、较低的记录成本、极长的存储寿命以及与 c d - r o m 驱动器的兼容性使其在数据备份、数据交换、数据库分配、档案保存和 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电 路的设计 多媒体软件发行等领域得到广泛应用。 c d - r光盘的不可改写特性使之具有极高的 安全性。 为了满足在c d - r o m光盘上进行多次的重复数据读写的要求，飞利浦公司公 司在 1 9 9 5年 4月制定出与 c d - r o m 和 c d - r兼容的相变可擦写光盘驱动器 c d - e ( c d - e r a s a b le ) 标 准。 1 9 9 6 年1 0 月， p h i li p s , r i c o h , s o n y , h p 和m it s u b i s h i 等5 家公司在c d - e的基础上联合制定了新的可擦写c d标准， 并将c d - e更名为 c d - r w o 1 9 9 6 年底， 飞利浦公司和r i c o h 公司 推出了 全球首个c d - r w驱动器。 与c d - r o m驱动器的只读不写、 c d - r驱动器的一次性写入不同， c d - r w驱 动器既可写入， 又可擦除。它不仅能读取c d - r o m光盘，刻录c d - r光盘，而且 能对c d - r w光盘多次重写。当 然， c d - r w光盘也能被c d - r o m驱动器或c d - r 驱动器读取。 通过不断更换盘片， c d - r w可使计算机的 存储容量无限增长。 可以 说， c d - r w驱动器能担负计算机工作过程中 所有信息的 暂存和永久保存， 不仅适 用于各种多媒体数据、图像和数据库资料的存储、 备份和用户端的文件快速复制、 交换， 而且还可以 满足计算机用户建立自己 的活动硬盘， 自 制c d唱盘、 c d - r o m 数据盘和v c d视盘的需求。 c d - r / r w 驱动器从出 现到如今已 经历了 若干年的 发展，技术越来越成熟， 受 到业界越来越多的关注。 c d - r / r w驱动器的 刻录速度也经历了一 个由 慢到快的发 展历程 i ， 如图1 . 1 所示. 泊月一 丫 / ” ” j . /- . _ 了 “ 了 /一 .了/ / 了/” 丫 .了 / ， . 洲 了 厂 . -. -. . . j 864丹0804气. 月.月1月.j，月. 勺:ds go 7 9 的1 9 9 7 1 9 9 8 丫.ar 1 9 9 9 z 以 扣加 j 图1 . 1 c d - r / r w驱动器的刻录速度的发展历程 第一章 绪论 1 .2 c d - r i r w前端处理器 典型的c d - r / r w驱动系统与c d - r o m, d v d驱动系统类似， 如图1 . 2 所示a 1 它由 光拾取( 激光头组件、 光电 转换及控制电 路) 、伺服系统( 伺服驱动机械部分、 聚焦 / 循迹/ 径向 / 主轴伺服电 路) 、 前端处理器和d s p 数字信号处理电 路构成。 进给电机 图1 . 2典型的c d - r / r w驱动系统 光拾取由激光发射系统、激光光学通路系统和激光接收系统三部分组成。它 的主要作用是发射激光和接收由 光盘反射回来的光信号，并进行光电 转换。 在发 射激光时，它通过自动光功率控制电路，控制半导体激光器的电流来控制激光的 功率.反射光则通过光敏检测装置中的光敏检测二极管， 将接收到的光信号转变 为电信号， 然后送到前端处理器。 作为c d - r / r w驱动系统的重要组成部分， 前端处理器将完成所有对c d - r / r w 的前端信号进行处理的功能。前端处理器接收来自 光拾取部件的电压信号，通过 对 其进 行适当 的 数学 运算产生 包 含数 据信息的r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) 信号 和记 录 c d - r / r w光 盘 各 种 信 息的 预 刻 槽 绝 对时 间 ( a b s o lu t e t im e i n p r e - g r o o v e ) 信号 。 它同 时要完成优化功率控制功能用以 监测和维持光盘写数据的 质量和确保整个盘面上 凹坑和平面长度的精确性.为了可以在写或者读光盘数据时对激光束进行控制， 它还完成自 动光功率控制功能。除此之外它还要为系统后端芯片提供诸如聚焦、 循迹伺服、镜像检测和缺陷检测等信号. 伺服系统通过来自 前端处理器和d s p数字信号处理电路的控制信号完成对系 统的主轴、进给、聚焦和循迹伺服。 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电路的设计 1 .3论文的内 容安排 针对目 前日 益增长的c d - r / r w前端处理器芯片市场， 我们旨 在开发出与当前 市场主流c d - r / r w驱动系统兼容的 模拟前端处理器芯片。 本论文主要完成了 前端 处理器的电 路设计和验证工作。当然这只是整个芯片设计工作的一部分， 后续的 如版图的设计验证、 封装测试等工作仍有待完成。 论文是这样组织和安排的。 第一章是绪论。 第二章对c d - r / r w刻录的基本理 论进行了阐述。 第三章在考虑整个c d - r / r w驱动系统对模拟前端处理器的性能要 求的基础上，完成了前端处理器的模块划分和设计策略的研究。第四章对模拟前 端处理器各模块的电 路设计和实现进行了 讨论，由 于整个处理器电 路规模较庞大， 对全部电路进行讨论也不太现实， 所以这一章重点讨论了作为基本单元的运算放 大器、滤波器及自 动增益控制电路的设计， 最后对整个电路的功耗作了讨论。第 三章和第四章是论文工作的主要体现.在论文的最后一章中对论文所做工作进行 了总结，并对后续工作进行了展望. 第二章 c d - r / r w刻录基本理论 第二章 c d - r / r w 刻录基本理论 2 . 1 c d - r / r w光盘读写原理 c d - r o m ( c o m p a c t d i s c r e a d o n l y m e m o ry ) 光 盘 上的 信 息， 不 论 是 音乐 、 资 料 还是其他影音视讯，都是经过数字化处理后以0与 1 存储的，对应于碟片上的凹 坑 ( p it s ) 与 平 面 ( la n d s ) . 所 有的 凹 坑 有 着 相同 的 深 度 与宽 度， 一 个凹 坑 大 约 只 有 半 微 米宽， 但是长度却不同。凹坑和平面形成大约围绕中心2 万圈的螺旋状信息轨迹。 当 激光束照射到光盘上时， 如果是照在平面上， 会有大约 7 0 - 8 0 % 反射回来， 这样 c d 读 取 头 可 顺 利 读 取 到 反 射 信号 ， 如果 是 照 在凹 坑上 ， 则 造成 激光 散 射， c d 读 取 系 统 无法 接收 到反 射信号 ， 利用这种 差别 就可以 读 取数字 信号0 与1 ， 进而 转换 成 所存储的实际信息。 c d - r ( c d - r e c o r d a b l e ) 光盘是指只可以 让用户写一次的光盘，它具有与一 般 c d - r o m光盘相同的外观尺寸，其数据格式与c d - r o m光盘相同。c d - r光盘规 格书由 飞 利浦公 司 ( p h i l i p s ) 和索尼公 司 ( s o n y ) 共同 制定 并于1 9 9 0 年颁 布， 雅马 哈 公 司 ( y a m a h a ) 在同 年 推出了 第 一部2 倍速c d - r 驱 动器。 当 一片c d - r 光盘被 记录 完 成后， 它上面记载信息的方式与一般c d - r o m光盘一样，也是利用激光的反射与 否来读取数据的， 所以c d - r光盘可以 用 c d - r o m 驱动器读取， 但它们的原理不 同。 当c d - r光盘被记录的时候， 光盘刻录设备发出高功率的激光打在c d - r光盘 的 特定部位上，上面的有机染料层因此而发生化学变化，该部位无法顺利反射 c d - r o m驱动器所发出的 激光， 我们将 c d - r光盘上被改变的部份称之为光标记 ( o p t i c a l m a r k s ) ， 该 部份无法反 射激光 ， 功能 类 似于 一般 c d - r o m 光盘上的 凹 坑 ， 而没有被高功率激光照到的地方可以 依靠黄金层反射激光， 类似一般c d - r o m光 盘上的平面. 这就是c d 一光盘与一般c d光盘的区别所在， 不同的记录方式， 一 样的结果，一样的目的。 c d - r w ( c d - r e w r it a b le ) 光盘是允许用户反复进行数据擦写操作的光盘， 由 r i c o h公司首先推出， c d - r w光盘采用相变技术来存储信息。 所谓的相变技术是 指在光盘的记录层上， 某些区域是处于低反射特性的非晶体状态，数据是通过一 系列的由 非晶 体到晶 体的 变迁来 表 示的 (3 。 读取c d - r w光盘时， 驱动器 利 用 低功 率 ( t.间隔1 0 个0 ， 即 光盘上凹 坑和平面的长度至少为 3 t .最长为 1 1 t . 2 .3聚焦和循迹伺服原理 在对光盘进行读写操作时，为了对信息轨迹或预刻槽进行准确的定位，聚焦 和循迹伺 服成为 必 不可少的 关键技术 15 1 2 .3 . 1聚焦伺服原理 由 于光盘的 制造误差和不平整性， 光盘在转动时， 它到激光头的 距离并不是 固定不变的，从而引起焦距的变化， 若不进行控制，势必会造成激光束聚焦不良。 聚焦误差是通过光敏检测器对主光束的 检测来实现的， 将光敏检测器接收的 主光束电信号进行求差放大即可产生聚焦误差信号。不同结构的激光头检测聚焦 误差信号的 方法不同， 通常有像散法和傅科法。我们设计的前端处理器电 路统针 对的是像散法聚焦伺服。 如图2 . 1 所示， 在分光棱镜与光敏检测器之间加入一个半 圆形的柱面透镜，该透镜的垂直面具有像散作用，能将通过它的光束在纵向的横 截面上由 椭圆形变换成圆形， 最后再变换成椭圆形。利用柱面透镜的这一特性， 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电 路的设计 在准确聚焦的情况下， 将四只光敏检测二极管安装在横截面为圆形的位置. 这样 可使四只光敏检测二极管接收的光通量相等.当物镜远离或靠近光盘时，其焦点 不在光盘面上， 此时光盘面上的 激光束直径变大，反射光束的直径也随之变大， 此反射光束通过柱面透镜的像散作用， 到达光敏检测二极管时的 光束呈现出 椭圆 形，这样四只光敏检测二极管接收的光通量不等， 将对角线上光敏检测二极管接 收的光通量转换成的电 信号两两相加，再通过一个比 较器即可检测出聚焦误差的 差 值， 即 通过 ( a + c ) 一 ( b + d ) 运算， 便可得到 聚焦 误差 信号。 图2 . 1 像散法聚 焦原理图 当 落在光敏检测器上的光束成圆 形，如图2 . 1 6 时， 此时四 个光敏检测二极管 上 接 收的 光 通 童 相 等， 则 ( a + c ) - ( b + d ) o ， 聚 焦正 确; 当 落在 光 敏 检 测 器上 的 光 束 呈 如图2 . 1 a 所 示的 椭圆 形时， 则 ( a + c ) - ( b + d ) o ， 光 盘 过 近; 当 落 在 光 敏 检测 器 上 的 光束呈 如图2 . 1 c 所示的 椭圆 形时，则 ( a + c ) 一 (b 十 d ) + 一 y， 。 田噩田 0!门川田 图2 . 2 c d - r / r w循迹原理图图2 . 3 c d - r / r w光盘的预刻槽示意图 2 .4 a t i p 信息和r o p c技术 a t i p ( a b s o l u t e t im e i n p r e - gr o o v e ) 预 刻 槽 绝 对 时间 信息 提 取 和r o p c ( r u n n in g o p t im u m p o w e r c o n tr o l ) 运 行 优 化功 率 控 制 是 对c d - r r w实 现 写 操作 的 关 键 技 术 6 1 2 .4 . 1预刻槽绝对时间信息 正常情况下，一张c d - r / r w光盘在出厂前一般都被写入了a t i p 信息， 通常 是用几个连续的1 6 进制代码表示的 一些信息。 一般包括了 光盘制造商、 标称容量、 光盘的 种类、 光盘的有机染料层名称代号和光盘的速度等光盘识别码。 c d - r / r w 光 盘的 塑 料 衬 盘 上 预先 刻 有宽 度 为0 .6 p rn , 深 度为0 . l w n 的 螺 旋 形 预 刻 槽， 预 刻 槽 由c d - r / r w光盘的内圈以螺旋状展开， 一直延伸到光盘的最外圈结束。 c d - r / r w 驱动器将通过对预刻槽的循迹和聚焦， 来引导激光束对c d - r / r w光盘进行刻录或 读取。 实际 上预刻槽并不是 十分标准的 螺旋线， 而是以 振幅为 0 . 3 a m , 频率为 2 2 .0 5 k h z 的 正弦 线上 下摇摆的， 如图2 .3 所示7 1 。 包含a t i p 信息的 预 刻 槽 通常 只 能由c d - r / r w驱动器才能检测和读取。 在我们设计的前端处理器电 路中包含有对 a t i p 信息 提取的 模块。 2 . 4 . 2运行优化功率控制技术 r o p c 技 术 是 光 学 存 储 技 术 协 会o s t a ( o p t i c a l s t o r a g e t e c h n o lo g y a s s o c ia t io n ) 推荐的一种c d - r / r w驱动系统中 激光器的先进控制技术。为了使c d - r / r w光盘 用于c d - r i r w驱动系统的模拟前端处理器电路的设计 上的信息凹坑长度达到较高的精度， 必须对c d - r / r w驱动器中的激光器功率进行 精确控制。 而正确刻录数据所需的理想激光功率又取决于光盘记录介质的 特性、 刻录速度、激光束的波长、激光束聚焦光点尺寸和环境温度等多种因素，如果刻 录期间激光束的功率过大或不足， 就会导致信息凹 坑变长或变短， 使c d - r o m驱 动 器 在读取数据时出 现错误， 所以 在开 始写c d - r / r w光盘 之前， 驱动 器要执行 初 始优化功率以决定最好的写功率值。 r o p c首先从绝对预刻槽时间 信息中 获取一个初始的建议优化记录功率值， 以 此为初始点，驱动器通过可升降功率电路以步进方式在光盘的功率校正区域写入 测试信息.在以不同的功率写入测试光标记后， 驱动器读回来比较凹坑和平面的 长度生成非对称值0 。负值表示功率较小，正值表示功率较大.为了更好的兼容 不同 种类的c d - r / r w光盘， 一般采用橘皮书中的4 % 的0 值， 借此来确定写功率。 r o p c 在光盘刻录过程中 对光盘表面反射回 来的激光束强度进行监测， 根据刻 录区 域记录介质的实际特性自 动调整刻录激光束的 功率， 精确地控制c d - r / r w光 盘 上 产 生的 信息 凹 坑的 长 度， 可以 使 刻 录 数 据的 错 误 率 小 于1 0 1 6 。即 使 光 盘 上 有 一些指纹、 灰尘、 甚至划痕， 系统也能正确地刻录和读取数据，从而保证了刻录 数据的 完整性和可靠性。 在我们设计的 前端处理器电路中 包含有对r o p c相关信 息提取的模块。 2 . 5本章小结 在这一章中， 我们对用于c d - r / r w驱动系统的 前端处理器电路工作原理中 所 涉及到的一些诸如c d - r i r w光盘读写原理、 e f m调制技术、聚焦和循迹伺服原 理 以 及a t i p 信 息 和r o p c 技 术 等 基 本 理 论 进 行 了 简 单 的 介 绍 和 讨 论 。 这 为 后 面 几 章的描述莫定了基础。 第三章模拟前端处理器的系统设计 第三章 模拟前端处理器的系统设计 3 . 1前端处理器系统的总体设计 我们所设计的用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器的总体系统结构如 仁0丈 q卜咤卜城 02卜 石山卜 囚卜 囚匕 仁马砖 0叹份 曰，曰0凡1 ou州y屯 0、队侄足 0先岑 比0山 0巨0山 人只一 10ouj比 n-卜h囚区 uz七 认即. 薰嚣骂韶 s ga i in on gai nu p wl d on r f p ds h wf p os h rl o n f p d o f vre f 丫n 旧6 w vr d s w vr d cn 2 v rd c v r dc n : r e f v v y dcn 2 vn 用心 wv ocn 、 叨r e f v心八o v r e f 八ond2 日 认 石 口 田 田一 ! !t ! t 采样 保持 算术 矩阵 电 路 溯 “ e 杯 n口 口 . 月 nn八口口 。 p p 八1口口 r 口. 户门口口 1 阵 m口口.ll一 1。 。 。i口口 i 多 路迭择电 路 亡.9 亡二 寄存器o p c 电 路 . 参 考 .电探 u l l 登 i 昌 景 获 夔 臼.为，叫为 .勺b二l 月里t ，明用曰卜 .山.用闷万 勺里用夕 里国刁0 卫山国川门 图3 . 1 模拟前端处 理器的 总体 系统结 构 图3 . 1 所示，各输出 瀚入信号的定义见附录 a 。 基于设计要求，它包括参考电 源 产生模块、采样/ 保持和运算矩阵模块、聚焦和循迹模块、r f均衡模块、a t i p 模 块、自 动光功率控制模块、检测电路模块、优化功率控制模块、多路选择模块和 寄存器模块等共 1 0 个部分。它可以 完成所有c d - r / r w模拟前端信号处理所需要 的功能， 例如信号的采样2 保持、 聚焦和循迹误差信号产生、 r f 信号均衡、 摆频信 号提取以 及自 动光功率控制等功能。 它支持最快4 8 倍速的读操作和最快2 4 倍速 的写操作，支持恒定线速度 c l v ( c o n s t a n t l i n e a r v e l o c i ty ) 和恒定角速度 c a v ( c o n s t a n t a n g u l a r v e lo c ity ) 两 种 工 作 模式。 在以 下 各 节中 我 们 将 分 别 对 各 模 块 的系统构成和设计策略进行介绍。 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电 路的设计 3 . 2参考电 源产生模块 作为该系统的参考电源产生电路，为适应不同的信号处理，它包括两个不同 的基准电 平v r e f 和a g n d 2 . v r e f 是内 部信号的参考电 压源， 在系统内 部通过 分压电阻产生偏置于1 / 2电 源电压， 其灵敏度为i ， 同时它也可以通过外部电源加 载。我们设计了v r e f基准电源选择寄存器v r e f i n i t来进行选择，1选择由内 部产生， 0 为由外接电 源加载。a g n d 2 只为摆频相关信号提供参考电源， 偏置于 1 / 2 电 源电 压。 a g n d 2 之所以与v r e f 分开是为了防止噪声祸合. 在基准源之后， 我们通过使用由 运放构成的电 压跟随缓冲放大器与内 部的电 路隔离以 保证参考电 源具有较高的性能18 1 3 .3采样/ 保持和运算矩阵模块 m dd s: 帕洲nn 川bladi c s a 招e l 卫 d 口习 hwc s g a i r . r g八 山up 图3 . 2采样碟持和运算矩阵模块内 部结构 采样2 保持和运算矩阵模块的内 部结构如图3 .2所示。 该模块从光拾取部分接 收 主 光 束电 压 信 号 ( a i n - d i n ) 和 辅 助 光 束 电 压 信 号 ( e i n - f i n ) . h a v c为 所 接 收 第三章 模拟前端处理器的系统设计 的主光束信号和辅助光束信号的中心直流电平。由于在系统内部所有的信号都以 v r e f或a g n d 2 为参考，因此所有外部参考于h a v c电平的主光束和辅助光束 电压信号需要通过采样/ 保持电路和一级矩阵放大器转换为内 部以参考电 压 v r e f 为参考的信号，同时a d o , b c o以及摆频相关信号转换为以a g n d 2 为参考的信 号。 采样/ 保持电 路的采样频率由 外部信号提供， m p d s h和s p d s h分别为主光束 电 压信号和辅助光束电 压信号的采样控制输入， 通过内部电 路的传输门 进行控制， 高电 平进行采样， 低电平进行保持，为减小电荷注入效应和时钟馈通效应， 并保 证 较 高的 单 位 增 益 带宽 ， 采 样 / 保 持电 路 我 们 使用t o p - p l a t e 技 术 实 现。 该 模 块的 另 一主要功能是对所输入的电压信号进行运算，以产生后继处理所需要的输入。表 3 . 1 为运算矩阵电路的输出 信号运算构成。 表3 . 1运算矩阵电路的输出信号运算构成 物出信号运算构成 s r f o( a + b + c + d ) f eo ( a + c ) 一 毋十 d ) mp p o 2 ( a 十 d ) 一 ( b + q) ado - 1 . 6 ( a 十 d ) bc o - 1 .6 ( b + c ) wrf 一 ( 1 / 1 4 . 1 ) ( a + b + c + d ) rf o 一 。 .5 ( a + b 十 c 十 d ) r f om ( a 十 b 十 c 十 d ) s bado 1 .5 ( e 十 f + g + h ) 或3 ( e + f 十 g 十 h ) s p p o 3 ( ( e 十 h w 十 g ) 或6 ( e 十 h ) - ( f + g ) ) 同时我们针对系统的要求对该模块电路提出了如下的设计要求，1 )当 g a i n u p 为高电 平时， 采样 睬持电 路的 增益值可由 寄存器g a i n s e l 2 : 0 调节， 调 节范围 为1 6 / 1 7 / 1 8 / 1 9 / 2 0 / 2 1 / 2 2 / 2 3 d b e 2 ) 当g a i n u p 为 高电 平时， r f o m信号 的 增益值可由寄 存器 g a i n s e l 2 :0 调节， 调节范围为 1 6 / 1 8 / 2 0 / 2 2 d b o 3 ) 当 g a i n u p为高电 平时，因 所有的增益值可由下一个自 动增益控制级调节， r f o信 号的 增 益值固 定为1 8 d b ， 独立 于寄 存器g a i n s e l 2 :0 a 4 ) w r f 信号的 增益 值为 - 2 3 d 8 . 5 ) 当g a i n u p 为 高电 平时 ， f e o , m p p o , a d o , b c o , s a b d o 和s p p o 放大器的 增益值为 一 6 d b , 6 ) 在调节各电 路的失调电压之前，设定电 路的增益值。 s r f o , f e o , mp p o , r f o m, s b a d o和s p p o信号的参考电平通常偏置于 v r e f ，为减小失调电压的影响， 我们设计了各自 的失调电 压调节电 路， 将参考电 平精确控制在v r e f + a v .失调电压值由失调控制寄存器确定，如表3 .2 所示。 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电路的设计 表3 . 2失调电压值控制列表 信号失调调节范围 分辨率控制寄存器 s r f o- 5 1 2 mv - + 5 0 8 m v 4 mv s r f o s ( f 2 7 :0 1 ) f e o- 6 4 0 m v- + 6 3 0 m v 1 0 mv f e o s ( f 5 7 : 1 ) mp p o- 6 4 0 m v一 + 6 3 0 m v l o mv mp p o s ( f 7 7 : 1 r f o m- 2 5 6 m v - + 2 5 4 m v 2 mv r f o mo s ( f 3 7 : 0 ) s b ado- 5 1 2 m v一 + 5 0 8 mv 4 mv s b a d o s ( f b 7 : 0 ) s p p o- 6 4 0 m v - + 6 3 0 mv l o mv s p p o s ( f 8 7 : 1 ) 3 .4聚焦和循迹模块 6 日 八 口 o f e o mp p o s p p o 图3 .3聚焦和循迹模块内 部结构 聚焦和循迹模块内 部结构如图3 .3所示。 该模块接收来自 于采样/ 保持和运算 矩阵模块的辅助光束和数据输出信号s b a d o , 聚焦数据输出信号f e o 、 主推挽输 出 信号m p p o和辅助推挽输出信号s e p o ， 在调整它们的增益之后产生辅助光束和 第二章模拟前端处理器的系统设计 信号s b a d ,聚焦错误信号f e 、循迹错误信号t e 2 0 0 g h z )。s t a r - h s p i c e 与各种 s p i c e软件兼容， 它具有以下特点:快速收敛;采用层次化方法命名节点:可以为多种分 析类型输出波形图;可以依据电路性能要求和测量数据进行参数优化; 具有良好的建立单元库的功能;可以进行统计容差分析，分析元件及模 型参数变化对电路性能的影响;允许 m o n t o - c a r l 。分析， 支持最坏情况 ( w o r s e - c a s e )设计; s t a r - h s p i c e 能完成的主要分析有:u 直流分析，包括求解电路直流 转移特性、直流工作点分析、直流小信号传输特性分析和直流小信号灵 敏度分析.2 )交流分析，在频域范围内，求解出稳态下各节点的电压或 支路电流的量值 ( 包括实部、虚部和幅值)和相位，还可以分析噪声频 谱和失真情况。3 )瞬态分析，在时域范围内，求解各节点的电压或支路 电流的瞬时值，进行傅里叶分析，求出输出信号的直流分量和傅里叶展 开的前 9 个分量。4 )温度特性分析。 s t a r - h s p i c e可以包括如下元件:电阻、电容、互感、独立电压源、 独立电流源、传输线、4种类型的受控源 ( 电压控制电流源、电流控制电 用于c d - r / r w驱 动系 统的 模拟前 端处理器电 路的 设计 流源、电压控制电压源和电流控制电压源)和通用的半导体器件:二极 管、双极晶体管、结型场效应管和mo s 场效应管. 4 . 1 . 2 t s mc模型 我们所采用的模型是基于台积电t s mc的 0 . 3 5 u m的混合模式双多 晶四铝d p q m 3 . 3 v / 5 v =艺的b s i m3 模型的3 . 1 版本. 随着器件沟道尺寸的不断减小，诸如闽值电压改变、垂直电场迁移 率降低、速度饱和以及热载流子等短沟道效应等所起的作用越来越大。 早期出现的 l e v e l i , 2 , 3模型已不能适应器件模拟的应用，从而出现 t b s i m ( b e r k e l e y s h o r t - c h a n n e l i g f e t m o d e l ) 系列模型 0 3 1 . b s i m模型相 比于l e v e l 3 模型做了如下修整:1 )考虑了垂直电场包括衬底电压对迁 移率的影响。2 )采用非均匀衬底掺杂对阂值电压进行了修正。3 )弱反 型和强反型区域的电流及其一阶倒数连续可导。4 )漏电流表达式考虑了 速度饱和、受横向电场影响的迁移率和饱和电压的影响。但当器件尺寸 小于0 . 8 1 m时，其模型存在不精确性，例如，当漏源电压较大时，mo s 管的饱和输出阻抗出现了负值、在可变电阻区推导出的电流不连续。据 此，出现了b i s m2 模型，它对迁移率、漏电流和亚阐值效应做了新的描 述，在计算输出阻抗时，考虑了沟道长度调制效应和漏区感生势垒降低， 使其在一定程度上优于 b i s m模型， 但对于短沟道器件， 但其在可变电阻 区和饱和区的计算依然存在问题。b s i m 和 b s i m2模型使用了大量的经 验公式，参数提取、模型工艺改变和大童复杂多项式的使用使模型生成 和应用困难重重。而 b s i m3 模型以器件工作的物理原理为依据，吸收了 b s i m 和 b s i m2 模型的优点。我们所使用的 3 . 1 版本使用了大约 1 8 0个 参数，即使是在 0 . 2 5 u m时，也可以很好地模拟器件的工作特性1 1 4 1 4 . 2典型的二级运算放大器设计 运算放大器是构成模拟集成电路最基本的组成部分。一个理想的运 算放大器应具有无限大的差分电压增益、无限大的输入阻抗和零输出阻 抗1 1 5 1 。 对于无缓冲的运放来说， 其开环增益超过2 0 0 0 就基本可以了， 只 有这样，当它应用于负反馈组态时，其传输函数才主要由反馈决定.在 整个系统的设计过程中，我们使用了大量运算放大器，下面以我们在电 路设计中用到最多的如图4 . 1 所示的采用r c 补偿的二级运算放大器为例 第四章 模拟前端处理器的电路设计 来说明运算放大器的设计方法，并在本节最后给出了一个设计实例。 图 4 . 1采用 r c补偿的二级运算放大器 我们首先对该二级运算放大器进行交流小信号分析，以确定各个管 子的宽长比与运算放大器设计指标之间的内在联系。 图4 . 1 所示的二级运 算放大器的交流小信号等效电路如图4 . 2 所示。 c- 一一 + v in g m t v in v : 甲 z 。 尽 子 c i 牛 r :之g rrn liv i _ 少1+ 吨之 c n 丰v o u t 图4 . 2二级运算放大器交流小信号等效电路 我们首先根据图4 . 2 所示的电路列出各节点电压方程为: 犷j-rr竺弥 ，工zv勺-r s . , v ,. +十 s c , v , 十 ( 一s c c 1 + s c c r z)(。 一 v . ，一 “ ( 4 - 1 ) g . 珠 + s c n v m+ 一s c c 1 + s c c r z ( v 一 v i ) = 0 联合求解得其传输 函数为 : 用于c d - r / r w驱动系统的模拟前端处理器电路的设计 h( s ) 二 v . . , ( s ) v . ( s ) a 1 一 s (丘一 * , c c ) = _9 . 11 i + b s + c s + d s ( 4 - 2) 其中 a = g , r g . ii r i r ii b = ( c + c c ) r + ( c , + c c ) r , + g . , r , rc c + r z c z c = r , r ( c i c ii + c c c , + c c c) + r z c z ( r i c , + rc ) d = r i r h r z c i c h c c r , = 1 / ( g d , 2 + g d , 4 + 9 m 4 ) r = 1/ ( g d ,6 + s w) 9 . 1 =9 . 2 9 . 1 1 =9 。 c , 和cl,为各级节点电 容。 假设r : 远远小于r 。 和r r ，求解式 ( 4 - 2 )可得: 极 “ pls 百 - 1p i = p 2g ,dir rrr ic c 一9 . 11 c ,p = r z c 万 ( 4 - 3 ) r h p 零 点z 1 = ， 子 ， c一 r z ) 9用 刀 r h p零点使相移增大，还增大了幅值 ( 4 - 4 ) 产生了两个不利于稳定的因 素 1 6 。为消除r h p 零点， 令z , = p 2 ， 得: 除r h p零点。 ( c , . + c , 、i , ( z = i 一二 ， - i - ， i- c ) 9 . 2 从而可消 补偿电容c c 的作用:1 )和r 。 并联的有效