（微电子学与固体电子学专业论文）高速低噪声锁相时钟恢复电路研究.pdf

夏旦犬潆博士学缸论文 摘要 本文研究了锁相环实现的高速c m o s 时钟恢复电路的低噪声设 诗润题。 酋兜，分绍了时钟恢复电路的基本概念。讨论了嚣见基带通信镳 弱，戳及编稻的楣关河题。接着讨论了常见醅镩恢复毫路并分树了 各自的优缺点，介绍了现有的一些工作。在这些结构中，本文选取 了采爝锁藕环安现数据眩辨恢复。 箕次，霹究了环型掇荡器魄趣位噪声特性。讨论了电源越嗓 声以及衬底耦台噪声的影晌，以及基本抑制方法。对比了几种缁构 的电源专【8 制隧熊。在r a z a v i 工作的基础上。深入分板了环掇中存在 三种噪声发生机制。重点讨论了闪烁嗓声和环路成型的热嗓声。根 据挺浅麓闪烁嗓声簇率域搬移褫铡，给爨了阗烁噪声豹钱纯方法， 并通过仿真得到了验证。根据提出的环路成型热噪声发生机制，提 爨了瓣改遴酶樱健噪声模型，考感了环振菲线蛙对樱使噪声鹣影 响；根据新模型，讨论了环搬级数札和对管尺寸s 的影响。对热噪 声模羹涟行了流片验证，溺试结采与疆论分辑熬够缀磐静渤合；j 毙 外，新模型能够解释一些新型环振的相位噪声特性；根据新模型， 讨论了低噪声振荡器设诗煞一般嚣翔。簸螽，分绥了滚片测试缝 聚。 接着，讨论了常用的电荷泵锁相环的基本源理。在s 域讨 论2 阶3 阶c p p l l 的线性建立特性，验证了文献f 1 3 1 中的相位裕度 优化绪梁。讨论了凡种常觅的离散时闻建模方法，并进行了秘步 酚毖较：重点分横了滓激囔应不变交捩鹃毒在爨误蛇原显，著对其 进行了修正。分别在s 域和z 域分析了环路的噪声传递特性，在z 域讨 论了时钟噪声善n v c o 噪声弓l 趣的环鼹输躐长期擗动。根据分辑鲍结 果，讨论了环路低噪声设计的基本原剿。 最螽，讨论了蹲镑浚复验涯电潞惑一釜设诗闻鬟。测试结装显 示，设计的电路可以成功的恢复出数据率1 g b p s 的串行数据。 关键词：隧镑恢复，基带通傣，葙位嗓声，低噪声援荡器，环甏振 荡器，锁相环，电荷泵锁相环，环路噪声传递 a b s t r a c t ( 英文摘要) l o wn o i s e ，h i g hs p e e dc m o s d e s i g ni st r e a t e di nt h i st h e s i s c l o c k d a t ar e c o v e r y ( c d r ) c i r c u i t f i r s t 。ab r i e fi n t r o d u c t i o no fc d ri sg i v e n ，n o r m a lb a s e b a n d c o m m u n i c a t i o nc o d i n gs c h e m e sa r ed i s c u s s e d t h e ns o m ec d ra r c h i t e c t u r e sa r ed i s c u s s e d a m o n gt h e s ea r c h i t e c t u r e s ，p l lb a s e do n e i sc h o s e ni nt h i st h e s i s 。 s e c o n d r i n go s c i l l a t o rp h a s en o i s ec h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e di nd e t a i l s t h ei m p a c ta n do fp o w e rs u p p l y g r o u n dn o i s ea n ds u b s t r a t e c o u p l i n gn o i s ea r ed i s c u s s e d c o m p a r i s o nh a sb e e nm m ea m o n gt h e p o w e rs u p p l yr e j e c tp r o p e r t yo fs e v e r a lo s c i l l a t o ra r c h i t e c t u r e s ，t h e n ， b a s e do nr a z a v i sr e s e a r c hw o r k ，d e e p l ya n a l y s i so nt h ei n t r i n s i cn o i s e s o u r c e si nr i n go s c i l l a t o ri sc a r r i e do n w i t ht h e r m a ln o i s ea n df l i c k e r n o i s ee m p h a s i z e d af l i c k e rn o i s eo p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d a n dv e r i f i e db ys i m u l a t i o n f o rt h e r m a ln o i s e ，8n e wm o d e lw i t hn o n - l i n e a r i t yi nc o u n ti sp r o p o s e d ，a n dt h ei m p a c to fr i n go s c i l l a t o rs t a g e n u m b e rna n dd i f f e r e n t i a lp a i rs c a l esi sd i s c u s s e d m e a s u r e m e n tr e - s u i t sm e e tw i t ht h em o d e lw e l l t h i r d ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fc o m m o n l yu s e dc h a r g ep u m pp l l i sd i s c u s s e d i t sl i n e a rs e t t l i n gf e a t a r ei sd i s c u s s e di ns - d o m a i n ，a n d t h ep h a s em a r g i no p t i m i z a t i o nr e s u l ti nr e f e r e n c e 1 3 】i sv e r i f i e d s o m e d i s c r e t et i m em o d e l l i n gm e t h o di sd i s c u s s e da n dc o m p a r e d l o o pn o i s e t r a n s f e rf u n c t i o ni nb o t hs - d o m a i na n dz - d o m a i ni sd e d u c e d 沁l o n g t e r m i l t e rc o m e sf r o mr e f e r e n c ec l o e ka n dv c oa r ec a l c u l a t e di nz d o m a i n 。b a s e do nt h i sr e s u l t ，t h ep r i n c i p l eo fl o o pp a r a m e t e rc h o i c e l sg , v e n t f i n a l l y ，t h ed e s i g n ，s i m u l a t i o n ，a n dm e a s u r e m e n tr e s u l t so fp r o t o t y p ec h i pa r ep r e s e n t e d k e y w o r d s c l o c k d a t ar e c o v e r y , b a s e b a n dc o m m u n i c a t i o n ip h a s e n o i s e ，l o wn o i s eo s c i l l a t o r s ，r i n go s c i l l a t o r s ，p h a s e l o c k e dl o o p ， c h a r g e - p u m pp l l ，l o o pn o i s et r a n s f l j r i i 复旦大学博士学位论文 第一章引言 回顾半导体技术，特别是集成电路的发展历史，可以看到它1 t 的出现似乎 仅仅是一种巧合。也许我们可以这么理解，客观规律总会找到合适的出口为自 己寻找现实的表达，这些表达往往在不经意间提醒人们给予自然本身应有的尊 重。集成电路就可以看作一种这样的表达，它的出现让我们可以深入思考信息 技术对人类社会的意义所在，虽然在多数人看来，到目前为止思考还远远不 够。 1 1 通信系统和人类社会 在一定的抽象层次上，人类社会可以看作一个完整的信息系统。随着它的 不断发展，对信息技术提出的要求也随之不断提高。大体上，整个信息系统可 以划分为采集、传递和处理三个环节。人们在不同的节点收集到各种各样的信 息之后，必须依靠数据通信，将这些信息汇总处理；处理过的结果，仍然表现 为各种各样的f 控制) 信息，又必须及时传递回各个节点。很明显，如果三个环 节中的某些部分出现瓶颈，整个信息系统，或者说社会本身运行的效率就会受 到影响。 进一步的可以认为，在这三个环节中，信息传递受到物理上的限制是最 为严重的。在分析地中海历史的特点时，布罗代尔重点分析了西班牙的“尺 度”f 1 1 。最强盛时期的西班牙，其领地散布在南欧的伊比利亚半岛和亚平宁半 岛，北欧的尼德兰和德意志，与直布罗陀隔海相望的北非，直到遥远的中南美 洲。这些领地被其他欧洲国家或者大洋隔开，相比欧洲的其他国家显的更为分 散，决策时必须参照的因素更为庞杂，这就使得它的决策过程更为缓慢，换言 之，效率更为低下。相对自身的尺度缺乏良好的信息传递手段，在很大程度上 限制了西班牙近代化的潜力，并使它从先进国家转为后进。对照同时期的中 国，这种情况也是存在的。 而对现代社会来说，决策的重心从政治转移到了经济问题，需要传递和处 理的信息量急剧增长。任何一次简单的生产、流通和消费活动都可以构成。次 基本的信息采集过程，最终汇集起来的信息确实可能达到爆炸性的数量。既然 这些信息都必须集中处理，如何传递仍然是最关键的一环。 未来社会也许是这样的：消费者在客户端定制商品；大量此类定制事件初 步汇总到服务器，服务器根据统计结果，发送订货指令到供货商。供货商将针 对商品本身的特点，分别根据汇总的订货指令或订货指令的历史记录安排生 产。商品离开生产线后，直接送到消费者手中。这样做的优点是能够充分的兼 顾大规模生产和个性化消费的需求，并形成真正的零库存从而降低成本。需要 指出，零库存的真正意义在于整个经济体的零风险，从而为整个社会的经济形 态带来可以预期的变革。 应该承认，变革后的经济运作方式在最大程度上展示了理性的光辉，并与 第一章引言 我们的理想吻合。就我们能够预见的情况来看，最终的解决方案依赖于更强大 的基于硅技术的网络通信系统，这就赋予本文工作一种特别的意义。 1 2 论文的出发点 常见的现代通信系统包括现代电话系统，以太网，光纤系统，数字用户 线，蜂窝电话系统，以及电视系统。这些系统可以分为无线通信系统和有线 ( 基带) 通信系统。前者将信号调制在特定频段的射频载波上发送出去，刁；需 要附加的传输媒介。毫无疑问，无线通信方式数据率稍低，但便于携带，也最 为灵活。这使得它特别适合用于个人终端，就目前的应用来看，情况就是这 样：寻呼机，无绳移动电话，以及面向移动办公的无线局域网。图1 1 是无线 通信系统发送端的一个例子。 图1 1 ：m s k 信号的发送端 基带数字通信系统采用有线传输方式。无论是采用双绞线、铜缆，还是光 纤，外界噪声的干扰都能被有效衰减，从而得到更高的信噪比。很显然，在信 号功率一定的条件下，这样就可以获得更高的信息传递速率，因此基带通信更 加适合于信息传递的服务器端。通常，对数据传输速率要求较高的通信系统 ( 如城市主干网，连接较高负荷工作站的局域网等) 采用的都是基带通信。典 型的基带通信系统见图1 2 。 图1 2 ：典型的基带通信系统：以太网发接器 在常见的基带通信系统中，串行或并行是一个基本的选择。并行数据传输 可以同时传递同步信号，但带来的问题是需要更多的传递媒介和更复杂的板级 2 复旦大学博士学位论文 布线。粗看起来，串行通信在节约媒介的同时似乎降低了传递速度，但实际情 况正好相反。媒介数量的减少使得隔离更好的媒介在成本上成为可能：加之采 用性能出色的发送接收电路，串行通信能够得到较之并行更好的数据传输速 率。问题在于，为了节约传递媒介，通常只在发送端发送数据信号，不发送同 步时钟。对接受端来说，为了同步数据信号，就必须从数据信号中恢复出同步 时钟。这个任务正是由时钟恢复电路来完成的。可以认为，时钟恢复电路是串 行通信系统中最关键的环节之一。 时钟恢复电路的应用相当广泛，大体上包括以下几个方面。 o 以太网接口 现有标准为i e e e8 0 2 3 系列 3 7 ，3 s 。较之新的无线局域网标准，i e e e 8 0 2 3 定义的以太网以及8 0 2 3 a e 定义的1 0 g 以太网移动不便，但在传输 速度上具有及其明显的优势。 o 光纤通信系统发接中继 光纤通信系统的例子包括0 c 4 8 9 6 1 9 2 s d h ，通常用在主干网城际网a 通信速率之外，在长距离通信时的媒介成本是很重要的制约因素。 o 串行加队接口 串行如n a f s a t a l 标准与i e e e8 0 2 3 标准接近，针对硬盘接口，增加了自适 应阻抗匹配( a d a p t i v er e s i s t a n c em a t c h ) 和频谱扩展( s p r e a d i n gs p e c t r u m ) 。 这是$ f f 并行选择的一个典型例子。朋队串行化极大的提高了通信速率。 对一个基带通信系统，在发送端设计出高速低噪声的时钟发生和并串转换 电路相对简单。在接收端，当数据恢复完成，进行串并转换，也是比较简单 的。采用铜缆的以太网不需要复杂的自适应均衡器，均衡器的设计也比较简单 ( 在光纤通信系统中，由于光纤的非线性色散，需要设计困难的自适应均衡电 路) 。 经验和理论分析指出，时钟恢复是限制基带通信数据率的最主要瓶颈。在 这个领域，已经有很多出色的工作9 ，1 4 ，2 0 ，3 9 ，4 1 ，4 9 ，5 6 ，5 8 ，6 7 ，7 5 1 。但是， 随着通信系统信息传递速率的不断提高，如何采用标准c m o s 工艺技术，设计 和生产出新结构，高性能的时钟恢复电路越来越成为一个挑战。为此，本文将 以用于以太网或光纤通信系统的时钟恢复电路做为一个例子进行尝试。 1 3 论文的主要工作和组织结构 时钟恢复电路的设计目标是在提高数据速率的同时维持低的误码率。这 就对时钟恢复系统及其内部单元的噪声特性提出了严格的要求。图1 3 显示了 不同的环路参数时，时钟恢复锁相环的输出抖动特性。其横轴为测量时间间 隔，纵轴为输出抖动。正是输出抖动决定了误码率，进而决定了一定误码率下 可能的数据速率。根据第3 章和第4 章的讨论可以知道，其中的两条斜线代表环 3 第一蕈引言 路v c o 中的噪声大小；而水平线代表环路对各种噪声的抑制性能。由于是对数 坐标，斜线的斜率是固定的，它的高度越低，v c o 噪声性能越好；水平线的高 度越低，环路的噪声特性越好。为了降低它们的高度，就必须研究环振相位噪 声模型和时钟恢复环路噪声传递特性，这也就是本文的研究重点。 图1 3 ：锁相环输出抖动 。环振相位噪声模型 分析和比较了现有的环振相位噪声模型基础。讨论了环振中的电源地噪声 抑制方法；讨论了闪烁噪声的优化方法；提出了改进的器件热噪声模型。 在此基础上，分析了低噪声振荡器设计的一般准则，并对部分分析结果进 行了流片验证。 o 时钟恢复环路优化方法 介绍了环路的连续时间模型。重点讨论了离散时间建模方法，特别是冲激 不变变换；重点分析了冲激响应不变变换的存在错误的原因，并对其进行 了修正。首次根据离散时间模型讨论了噪声传递特性，并较为完整的分析 了z 域下环路的噪声特性。最后，简略讨论了环路参数的优化方法。 论文的第二章介绍了时钟恢复电路的基本概念。篇三章研究了环型振荡器 的相位噪声特性。第四章讨论了环路的瞬态响应和噪声优化问题。第六章介绍 了时钟恢复验证电路的设计、仿真，以及测试结果。第七章是对整个论文工作 的总结，并对进一步的工作进行了展望。 4 复旦大学博士学位论文 第二章时钟恢复概述 在有线通信系统中，信号需要通过特定的媒介传递。尽管如此，信号本身 具有的噪声以及在传递过程中无法避免的各种非理想因素的影响都会使其发生 畸变。当信号到达接收端时，为了能够从受到破坏的信号中提取有用的信息， 就必须尽可能的克服这些非理想因素的干扰。 为此，本章将首先研究接收端面临的非理想因素，以及初步的解决方法。 克服这些非理想因素的方法之一就是在发送端对信号进行预先处理，比如对其 进行编码以帮助接收端更好的提取信息。为此将讨论这些编码。接着，讨论常 见的时钟恢复电路实现方法。最后，将初步讨论最常用的锁相环实现的时钟恢 复，特别是鉴相器和压控振荡器的结构。 2 1 时钟恢复基本问题 2 1 1 接收端面临的非理想因素 对接收端的时钟恢复电路来说，最主要的非理想因素有两个来源。第一类 是信号在信道中传递时受到的外界干扰，主要通过采取屏蔽措施予以消除。第 二类由信道和线路码的非理想特性引起，如发送端固有噪声，码间干扰，以及 基线漂移。这些问题需要通过选择合适的编码方式控制在一定范围之内。 发送端固有噪声 对接收端来说，发送端的噪声特性是给定的。这些噪声主要来自发送的锁 相环和多路器。克服此类噪声的主要方法是同时优化发送和接收电路。 码问干扰 码间干扰是由信道的有限带宽引起的，见图2 1 。码间干扰使得信号的有效 宽度减少。特别的，长连0 或1 之后的1 位码元甚至可能被干扰淹没。码间干扰的 严重程度取决于信道与信号的带宽，编码的长连0 或1 长度。 一叫= 兰兰= = 昭 + 匕= = = = 二二= = = = = 卜叫一”m m 。n 厂 厂 厂 厂 8 裂“，6 ，z 3 。，z 2 k 乏二3 图2 1 ：码间二f 扰 5 第二章时钟恢复概述 通常，为克服码问干扰，必须控制长连0 或1 的个数，还可以在发送端加入 硎j i l n ；( p r e e m p h a a i s ) ，或在接收端加入均衡器( e q u 出i z e r ) 电路 5 。图22 显示了 预加重( 2 2 ( a ) ) 和均衡( 22 ( b ) ) 的基本原理。由于这些电路的存在，本文在研究时 钟恢复电路时，认为不存在码间干扰的影响。 ( a ) 预加重 厶丘e 图2 2 ：码间干扰的抑制 基线漂移 好的编码各个码的直流值应该相同。对直流不平衡的编码来说，交流耦合 会带来所谓的基线漂秘；( b a s e l i n ew a n d e r ) 问题。在接收端，这会造成工作点的 漂移。基线漂移会严重影响接收端判决器的工作。 2 1 2 数字通信中的编码 常见线路码 二进制码元1 和o 能够表示为各种串行比特格式，这些格式称为线路码l 吼 图2 4 显示了一些常见的线路码。 通常，线路码应该满足以下一些性质： o 直流平衡 好的编码各个码的直流值应该相同。以便克服基线漂移问题。 o 有限的长连0 或l 如果长连( l o n r u n n i n g ) 0 或1 的数量太大，接收端的闭环控制可能失效并 发生偏移( s h i f t l 。很明显，偏移的程度与连续的0 或1 的个数密切相关。一 种好的编码必须有效的对此进行控制。此外，对直流不平衡的编码，长 连0 或1 的个数过大，会加重基线漂移。 6 复旦大学博士学位论文 ( a ) 交流耦台 v 妙丁 ( b ) 幕线漂移 图2 3 ：基线漂移示意 图2 4 ：二进制信号的格式 。适合信道特性的频谱结构 线路码带宽与信道带宽相比足够的小，以便克服码间干扰。 o 编码效率 通常，为了完成加密，校验，包同步等各种功能，串行通信采用的编码具 有一定的冗余。可以定义编码效率为带有信息的编码数量与编码总量的比 例。过多的冗余必然带来较低的编码效率，并反过来影响到通信本身的效 率。 传输带宽 对同样的数据率，需要的传输带宽较小。也就是信号的能量更加集中于一 个较窄的频段内。 o 透明性 7 营 船訾訾喘 第二逝时钟恢复概述 够黄辕每一瓣可慈豹数鬃窿爨。 常见线路码的频谱 这里不加摊导的绘出前述线路码的功率谶密度，见式2 1 。其体的接导过程 参凳文献【l 萄。凿示觅2 。5 。 勖蛐撕) = t a 2 t b ( 篙掣h l + 瓦1 驯 撕2 霸( 篙孚) 2 一叫，) _ 等( 帮川- + 去。叁w 一劫，) p b i p o t a vr z ( 力= 丁a 2 t b t , _ s i n ( 两”f 兀_ 2 ) 严s i n 2 ( 町鳓 a n c h e s t e rn r z ( f ) = t 。, 、s i n 7 r ( t f r 五f t b 2 2 ) ，, 2s i r l 2 ( 霄f t b 2 ) 图2 5 ：二进割信号熬功率谱密度 以太网中的m b n b 缡码 在于兆阻太两中，栗翻8 8 1 0 b 编码1 3 7 ；两在氆吉以太两中，袋周的 是6 4 詹6 6 b 编码f 3 8 1 。这些编码的共同特点是将实际字长增长，利用冗余，限 制长连0 或1 的长媵。同时，冗余的组合还可以用做同步控制。以8 8 1 0 b 编码为 例，束经编码的字长为8 位，编硒后变戈1 0 位。这样，信邋中速率为i 。2 5 g b p s 虼 滂戮下，实琢数据率为1 g b p s 。8 b i o b 编码瓣镜点是壹流平衡，可班菊簸熬蒋 基绫漂移控制在w 以接受的范围之内。连续的0 或1 个数控制在5 以下，编隅和带 宽效率较高，同时，它是透明的。 8 复麒大学博士学位论文 2 2 时钟恢复的性襞衡羹 2 2 1 眼图 将不同周赣的信号叠加在起，就可以褥到眼圈( e y ed i a g r a a n 。隈图是 数攒遴簧中霞鲻鹣穗缝餐量方法，酱囊它爵黻援方倭懿舞叛雾专穿窝骧壤畦变 的影响。图2 6 显示了一个眼圈的示例。图中还用虚线给出了一个m a s k 图样， 落在m a s k 以内的点越多，误碣率自然也就越高。m a s k 的峰值代表了最佳抽 样时刻。左侧的暇图代表不存强擗动的情况；中间的图样中存在抖动，但抖 动誉楚蒋剩严重；右铡鹃聿尊动捌跑较严重，m a s k 黪一部分羧遮盖佳了，这露 就会存在较大的谈码率。碾圈可以通过数字存储示波器( d s o ，d i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e ) $ 卿 量。 symbol$ymbos y m b o l 剖剧剧 顾磁 2 2 2 抖动特性 图2 6 ：眼圈 o c 标准中，定义了较为完熬的抖动特性，包括抖动发生，抖动传递莘抖动 誊瓣。显然l = 乏太夔标准没套涉及这些定义，爨蹩理勰这些定义哥鞋黎甓我镌更 好的理解时钟恢鬟奄路。 抖动发生( j i t t e rg e n e r a t i o n 、 阕2 7 ：辩动发生 9 第二章时钟恢复概述 抖动发生描述了时钟恢复电路自身的抖动特性。 抖动容限( j i t t e rt o l e r a n c e l 抖动容限说明了对特定频率的输入信号，时钟恢复电路能够克服的抖动上 限。图2 1 显示了一个抖动容限定义曲线，可以看到，很自然的随着输入信号频 率的提高，时钟恢复能够克服的抖动容限值降低了。表21 是抖动容限曲线上的 各个转折频率的取值。 1 5u 】 【5 u i 0 1 5 u i |。|、|：i，| f b lt e s tm a s k 图2 8 ：抖动容限 表2 1 ：o c 标准抖动容限曲线中的各个转折频率 d a t ar a t e ，0 h z h z 】，2 【h z 】，3 k h z 】 k h z 1 5 5 m b1 03 03 0 065 6 5 6 2 2 m b1 03 03 0 02 5 2 5 0 2 4 8 8 g b1 06 0 06 0 0 01 0 01 0 0 0 1 0g b 77 ， 4 0 04 0 0 0 抖动传递( j i t t e rt r a n s f e r ) 当整个发接系统用于信号中继( r e p e a t e r ) 时，抖动传递成为一个比较重要的 指标，抖动传递特性不好的发接器多级级联会造成很大的尖峰( p e a k ) 。在o c 标 准中，要求抖动传递曲线中尖峰不超过0 i d b 。这就为锁相环实现中的低通滤波 器零极点设计提出了比较苛刻的要求。 i 0 复旦大学博士学位论文 2 2 3 误码率 ( ) t e s ts e t u p f b lt e s tm a s k 图2 9 ：抖动传递 表2 2 ：o c 标准中的抖动传递定义 d a t ar a t e f c k h z 】p db 1 5 5 m b1 3 00 1 6 2 2m b5 0 0ol 24 8 8 g b2 0 0 0ol 误码率( b e r ，b i te r r o rr a t i o ) 定义为一定长度的数据序列中发生错误的比 例。引起误码率的因素很多，包括时钟和数据的相位抖动，时钟和数据的幅度 抖动，判决器的判决误差等等。 图2 1 0 ：误码率 图2 1 0 是一个简单的说明。当时钟c k 的边沿超出数据的单位宽度时，就一定 会出现误码。而c k 边沿超出单位宽度的概率服从均值为o ，方差口 的正态分布， 这一事件出现的概率是可以估计的( 其中的巩即为测量得到的时钟抖动。) 。采 用余误差函数，误码率可以写成2 2 的形式，其中的q 为二分之一数据宽度与抖 动o - t 之比。 p = ；e r f c ( 以d ) 1 l ( 22 ) 第二章时钟恢复概述 2 3i e e e8 0 2 3 标准 i e e e8 0 2 是一系列局域网通信标准。其中，i e e e8 0 23 3 7 ，3 8 】关于以 太网，包括以太网( 1 0 m b p s ) ，高速以太网( 1 0 0 m b p s ) ，千兆以太网，以及最新 的l o 吉以太网( i e e es t d 8 0 23 a e ) 。本文最终的目标是设计一个符合1 0 0 0 b a s e - c x ，也就是采用短电缆的千兆以太网的时钟恢复电路。 。：蔷3 图2 1 1 ：1 0 0 0 b a s e c x 2 3 1 发送端定义 在发送端( t p 2 ) ，8 0 23 标准定义的输出特性见表23 。 表2 3 ：t r a n s m i t t e rc h a r a c t e r i s t i c sa tt p 2 d e s c r i p t i o n 翰l u eu n i t t y p e p ( e c l ) d a t ar a t e1 0 0 0 m b s c l o c kt o l e r a n c e1 0 0 p p m n o m i n a ls i g n a l l i n gs p e e d1 2 5 0m b d d i f f e r e n t i a la m p l i t u d e ( p - p )m v m a x ( w o r s te a s ep - p ) 2 0 0 0m 矿 m i n ( o p e n i n g ) 1 i 0 0m v m a x ( o f f ) 1 7 0i n v r i s e f a l lt i m e ( 2 0 8 0 ) m a x i m u m3 2 7 p s m i n i m u m8 5 p s d i f f e r e n t i a ls k e w ( 1 i l a x )2 5 p s 1 2 复旦大学博士学位论文 图2 1 2 是发送端t p 2 上的眼图，图中显示的是电平的绝对值。 岩 量 己 宣 趸 崔 鹭 星 舀 l o o o m v 5 5 0 m v o v 5 5 0 m v 1 0 0 0 m v 震蒙戮攀鏊颡 汽藜鬻鬻罗 | i 纛一薯i 一量 。i 00 1 40 3 40 6 608 6l n o r m a l i z e dt i m e ( o fu n i ti n t e r v a l 图2 1 2 ：t p 2 的眼图 2 3 2 接收端定义 图2 1 3 是接收端t p 3 上的眼图，图中显示的是电平的绝对值。 1 0 0 0 m v 2 0 0 m v 0 v 2 0 0 m v 1 0 0 0 m v 么淞 萝 i点疆 糍爨饔搬，薅潦誊 00 30 50 7 n o l i n a l i z e dt i m ef o fu n i ti n t e r v a l 图2 1 3 ：t p 3 的眼图 在接收端( t p 3 ) ，8 0 2 3 标准定义的输出特性见表2 4 。 1 3 o它n】【|基焉口c冀脚葛。 堑三童堕墼! 堕塞塑鎏 表2 4 ：t r a n s m i t t e rc h a r a c t e r i s t i c sa ct p 3 d a t ar a t ei 0 0 0 m b s n o m i n a ls i g n a l l i n gs p e e d 1 2 5 0m b d t 0 l e r a n c ei 0 0 p p m m i n i m u md i f f e r e n t i a ls e n s i t i v i t y ( p e a k - p e a k )4 0 0m v m a x i m u md i f f e r e n t i a li n p u t ( p e a k - p e a k ) 2 0 0 0 m v i n p u th n p e d a n c e t p 3 t d rr i s et i m e8 5 p s e x c e p t i o nw i n d o w 7 0 0 p s t h r o u g hc o n n e c t i o n 1 5 0 士3 0q a tt e r m i n a t i o n1 5 0 士1 0n d i f f e r e n t i a ls k e w ( n l a x )1 7 5 p s 2 3 3 抖动容限定义 图25 定义了接收端的抖动。可以看到，在接收端，总抖动变的很大。总抖 动中的一部分来自i s i ，可以由均衡器克服：另一部分需要由时钟恢复电路抑 制，这就对时钟恢复电路提出了较高的要求。 表2 5 ：1 0 0 0 b a s e - c xj i t t e rb u d g e t c o m p l i a n c e t o t a lj i t t e rd e t e r m i n i s t i cj i t t e r p o i n tu i p s u i p s t p l0 2 4 01 9 20 1 2 09 6 t p l t o t p 20 0 9 07 20 0 2 01 6 t p 20 2 7 92 2 30 1 4 01 1 2 t p 2 t o t p 30 4 8 03 9 40 2 6 02 0 8 t p 30 6 6 05 2 80 4 0 03 2 0 t p 3 t o t p 40 0 5 04 00 0 5 04 0 t p 407 1 05 6 80 4 5 03 6 0 2 4 常见时钟恢复结构 时钟恢复电路的作用就是克服前述的非理想因素，从接收到的被噪声和干 扰污染的信号中提取出同步信息，进而正确的恢复数据。为了完成这些任务， 可以采用的时钟恢复结构有窄带滤波，相位延迟锁定环路，以及全数字时钟恢 复。 1 4 复旦大学博士学位论文 2 4 1 窄带滤波 d a n a ( a ) 框图 f b l 波形 图2 1 4 ：窄带滤波时钟恢复 窄带滤波的做法就是使用高品质因数的滤波器，简单的从数据信号中得到 时钟信号对应的频率分量。既然n r z 编码中不存在时钟分量，在滤波之前就必 须通过某种非线性处理得到此一分量；如果采用数字电路实现，可以首先经过 延迟后异或。如果采用模拟电路实现，可以将数据送入微分电路后进行全波整 流。后者的框图见图2 1 4 ( a ) ，对应的波形见图21 4 ( b ) 。 窄带滤波的主要优点是思路简单，易于设计。但它是一种开环结构，难以 克服环境的变化；在数据率较高时，又需要速度很快的边沿检测电路；此外， 它对滤波器的品质因数要求较高，这就使得它不适合采用集成电路实现。 2 4 2 相位延迟锁定环路 类比窄带滤波时钟恢复，可以采用相位延迟锁定环路代替其中的高品质因 数滤波器，这样就能够使用集成电路实现高速时钟恢复，见图2 1 5 。 图2 1 5 ：从窄带滤波到环路 1 5 第二章时钟恢复概述 相位延迟锁定环路实现的时钟恢复电路略有不同。如果将图2 1 5 的边沿检 测和全波整流用鉴相器代替，再分别代入相位或延迟锁定环路，就可以得到两 种实现的框图，见图21 6 。 ( a ) d l l ( b ) p l l 图2 1 6 ：相位延迟锁定环路实现 一般来说，延迟锁定环路实现不能抑制来自输入数据信号的抖动，但也不 会积累本地振荡器上的抖动。与之相反，相位锁定环路的会积累本地振荡器上 的抖动，但同时能够抑制数据信号上的抖动。如果数据信号非常干净，延迟锁 定环路是较好的方案。但通常数据信号通过较长距离后，往往带有严重的噪声 和干扰，因此，通常更多的采用相位锁定环路进行时钟恢复。 2 4 3 全数字时钟恢复 对噪声要求不高的低速应用，比如u s b1 1 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，可以采 用简单的全数字时钟恢复电路。这里不再具体介绍。 2 5 锁相环简介 锁相环的应用非常广泛，其中最主要的可能是频率合成和时钟恢复。对频 率合成和时钟恢复来说，既然应用锁相环的目的不同，在优化环路时，它们的 着眼点自然也就不同。 2 5 1 频率合成 频率合成的目标是在一个稳定的外部时问基准的基础上，为系统提供频率 稳定，相位噪声特性良好的时钟参考。因此，对频率合成器的优化主要是抑制 1 6 复旦大学博士学位论文 环路内的各种噪声，从而达到稳定输出的目的。 鉴于集成频率合成器的时间基准通常为外接晶振，它的相位噪声性能良 好，环路内最主要的噪声源总是振荡器。为了优化输出时钟的相位噪声，可以 在不影响稳定的前提下，加大环路带宽。同时，加大环路带宽的附加好处是， 可以加速环路的锁定。 2 5 2 时钟恢复 对时钟恢复来说，情况变的非常复杂。这时，目标不是简单的得到稳定的 时钟输出，而是得到最佳的接收误码率( b i t - e r r o rr a t e ，b e r ) 。这就要求环路 的输出时钟能够较好的跟随输入信号，也就是接收到的数据。为了达到这个目 的，要求时钟与数据间相位差被维持在一个较小值上。相对而言，时钟恢复是 一个更困难的课题。 2 6 锁相环实现的时钟恢复 就锁相环实现的时钟恢复电路而言，最重要的两个基本单元就是鉴相器和 压控振荡器。一般来说，如果这两个单元设计完成，就可以根据环路特性进行 性能优化。因此，我们需要首先讨论这两个单元的选择问题。此外，还将讨论 频率捕捉( f r e q u e n c ya c q u i s i t i o n l 电路。 2 6 1 对环路的要求 一般来说，对时钟恢复环路的要求包括以下几点f 6 4 ，7 2 1 ： o 线性或非线性 如果鉴相器非线性，在锁定位置附近，存在类似三状态鉴相器中存在的死 区，此处的鉴相器增益不能控制，因而系统的稳定性不一定可以通过减小 鉴相器增益获得。整个系统的稳定性条件不能采用传统的线性分析方法 分析而必须采用l y a p u n o v 方法f 7 1 。设计上的困难是非线性鉴相器的主要问 题。 o 输出波动抑制和码型相关性 是否会在输出端，也就是本地振荡器的控制电压上产生波动。如果产生， 这种波动是否数据相关。是否会影响环路的性能。总的来说，这一波动可 以通过采用高阶滤波器抑制，但高阶滤波器将为系统带来较为严重的负面 影响。另一方面，输出是否和输入数据的码型相关，特别是能够在面临长 连0 或1 时，是否影响性能。一般来说，这两问题关系密切。 o 时钟占空比相关性 本地振荡器的占空比是否会对输出产生影响。如果存在，那么这种影响需 要被控制在怎样的程度上才能保证电路正常工作。 第二章时钟恢复概述 。自动时序调整 能够自动将时钟边沿自动对准到最佳采样时刻。很明显，具有此一特性的 鉴相器能够提供更优的误码率。 。自动速率选择和谐波锁定问题 能否根据输入数据的数据率自动选择正确的本地振荡器频率。这个特性很 吸引人，但是一般来说是不能通过鉴相器本身实现的。反过来，不能自动 选择时钟频率的鉴相器都会锁定谐波。 o 捕捉时间 捕捉时间包括两个方面。一个是上电捕捉时间；另一个是数据发生变化时 的捕捉时间。 2 6 2鉴相器 改进的三状态鉴相器 也可以对普通的三状态鉴相器( t r i s t a t ep d 威着p h a s e n e q u e n c yd e t e c t e r ， p f d ) 进行改进，使其只响应数据边沿 3 1 ，如图21 7 。这种方法的特点是比较可 靠，输出波动小，与数据无关。 a ) 框图 f b l 时序 图2 1 7 ：改进的三状态鉴相器 1 8 复旦大学博士学位论文 此种鉴相器的缺点是需要精确的延迟单元保证采样窗口f s a m p l i n g w i n d o w ) 的大小，否则不能锁定。精确的延迟单元可以通过延迟锁定环 路( d l l ，d e l a y l o c k e dl o o p s ) 实现。d l l 的工作原理与p l l 类似，但是它是 一个一阶系统，不存在系统稳定性问题；单就系统设计来说较为简单。但是， 设计不好的d l l 也容易发生锁死问题，需要在设计中加以克服。此外，附加 的d l l 提高了电路的复杂度。 h o g g e 鉴相器 u p d o w n ( a 1 鉴丰目器 m 压 ( 二 二皿口( c n 厂 厂 厂 厂 r r l 一) 工 j 王 臣 巴 王 ( 二 二口 一) 刁臣 ( 二 二皿田( u 恩恩忍思思恩思母 凸国母国国思国国 f b ) 时序 图2 1 8 ：h o g g e 鉴相器 h o g g e 鉴相器【3 5 ( 图2i s ( a ) ) 是一种能够自动调整时序的鉴相器，它的时序 见图2l s ( b ) 。可以看到，它的结构比较简单。但是，由于u p 和d o w n 信号通过 异或逻辑产生，不可避免的会在压控振荡器控制电压上引入较大的波动。 对h o g g e 鉴相器，高速d 触发器和异或门是主要的设计难题。同时，d 触发 器固有的延迟也会造成h o g g e 鉴相器失效。如果对这些问题进行改进，它可以用 在中速时钟恢复的场合：也可以将它改进成为半速结构，用于更高数据率的信 号。 1 9 第二章时钟恢复概述 过采样鉴相器 ( a ) 框图 m m 烂二二二习 a m 皿 。n - - ) 口( m m 口( 。a m s 压 n a “) 二 ( 。a m ) 口( f b l 时序 图2 1 9 ：过采样鉴相器 a l e x a n d e r 鉴相器 a l e x a n d e r 结构是一种典型的非线性鉴相器 8 】，见图2 2 0 。它的时序见 表2 6 。 ( a 1 鉴相器 图2 2 0 ：a l e x a n d e r 结构 表2 6 ：a l e x a n d e r 鉴相器的时序 atb f b l 时序 at b o u t p u t atb o u t p u t o0 ot r i s t a t el00v c 0s l o w 001v c 0f a s t1o1f 0 r b i d d e n 010f o r b i d d e nl10v c of a s t ol1 v c os l o w 111 t r i s t a t e 里呈奎堂堡圭堂堡堕塞 多数b a n g _ b a g 结构鉴相器都是在a l e x a n d e r 鉴相器的基础上改进后获得 的，比如r a u 结构 6 2 】( 图2 2 1 ) 。后者是一种半速鉴相器，这意味着它可以使 用速度较低的时钟获得较高的数据率，从而放宽了对工艺的要求。 d ( a ) 框图 ，_ 、r _ 、，一 r ， 7 c l o c kl e a d17 乇璺堂嵫迅坠7 、里苎! 叠、里璺煎、坠! ! 尊。j ff十+ + 囟 囟，诲 圆由凼出凼 、_j， 、r 1r 1r 一一r r 一， c l o c k l a g d a t a x p 王a d a t a _ ) ( d a t a d a t a d a