（模式识别与智能系统专业论文）100m以太网络控制器物理层设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一 一：= = = t 目= = = = e _ = ；t # = = = ；= = 目；= ； 摘要 i e e e8 0 2 3 标准最早被x e r o x 作为以太网络标准提出，后来被i e e e 组织修改确 定。燕1 9 7 0 年钱，蓬手锈辘篷缆转输奔囊靛t 0m b s 渡太阚控销芯片密璐，它能实 现5 ( 米内的通讯。在1 9 9 5 年，8 0 2 3 标准又加入了1 0 0 m 的各种介质的传输铷议。 本文主要实瑗基于双绞线介蔟上傣输的1 0 1 0 0 m 标准。 在本文中，将介绍些p h y 层电路的设计原理积具体电路。，物理层电路主要楚 、 完成数据接收和发送工作。它既能将数字信号转换成符合协议上所规定电学特性的物 理信号发送嫩去，邈链以不鼹戆方式接收分矮上l 撼影1 0 8 醚模毅售弩。特鬟楚在接浚 电路部分，设计了具有信号补偿功能的自适应补偿均衡器。来自均衡器的量化误差信 号戆狻反绩戮模数转换篷爨孛去，溺蕤塞毒乏系数，缳涯量纯误差信号浚敛翻零。， 这些电路采用了数模混食信号设计方法，完成了发送电路中的信号整形和接收融 路绩号骧复。7 信号浚爱电路键搔时钟信号恢复和数据信号恢复两个部分，它并且能国 动补偿信号的直流电平分量，使信号能处于正常的燮化电乎范围。这样避免7 - 由予藏 流漂移带来酌影响。、 。 ， 本文也将介绍一魑其他的常用黔电路。如戆骧基准电压潺电路蠢镂提环奄路。0 乏 章中设计出低温度系数，高电源抑制比，高抗失配能力的c m o s 能隙电压源，和高速 诋相像噪声v c o 电路，这些瞧路邦大大挺鬻了系统褴戆。这些瑟蠢豹毫路都楚采掰 0 3 5 微米5 层金属工艺下用h s p i c e3 1 具设计得到的。，。 ， 关毽字；皂垫均衡嚣；堡塾擎换器：絮望i 辫鬯要堡皇路；趔! ! 墅粤路 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei e e e8 0 2 3s t a n d a r d ，c o m m o n l yr e f e r r e dt oa se t h e m e t ，d e f i n e sad i g i t a lm e d i a i n t e r f a c ef i r s ti n t r o d u c e db yx e r o xa n dt h e na d o p t e db yi e e e t e n m b se t h e m e to nc o a x c a b l ew a si n t r o d u c e di nt h ee a r l y1 9 7 0 s t h em e s ac a l lb eu pt o 5 0 0mo fd o u b l y t e r m i n a t e dc o a xw i t l ls t a t i o n sm p p i n gi na ta n yp o i n t i n1 9 9 5 ，t w o1 0 0 一m b sp r o t o c o l s w e r ea d d e dt ot h e8 0 2 3s t a n d a r d ：i o o b a s e xa n d1 0 0 b a s et 4 a n o t h e r1 0 0 m b s p r o t o c o l ，1 0 0 b a s e t 2 ，w a sl a t e ra d d e d t h i sp a p e r c o n c e n t r a t e so na i li ci m p l e m e n t a t i o n o f t h e1 0 1 0 0 b a s e t x i nt h i sp a p e r , s o m eo ft h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lc i r c u i t sw i l lb es h o w e d a n dw e w i l lf o c u so nt h ep h y l a y e ro f b 0 2 3p r o j e c t p h yl a y e rc i r c u i t sp l a yt h em a i nr o l ea tt h e p r o c e s so fd a t at r a n s c e i v e r i tc o n s i s t so ft w op a r t st h a tt r a n s m i ta n dr e c e i v e t h ep h y c i r c u i tc a nd r i v ei ns u c haw a yt h a tt h e s t r i n g e n tt i m i n gr e q u i r e m e n t so ft h e 1 0 1 0 0 m w a v e f o r m a n di ta l s oc a nr e c e i v et h e1 0 1 0 0 mw a v e f o r ma tt h ed i f f e r e n tw a y t h e 10 0 b a s e t xr e c e i v e rc o m b i n e sac o a r s ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e ra n dd i g i t a la l g o r i t h m s t h a t 赳eb a s e do ns i g n a ls t a t i s t i c st oa c h i e v ea na d a p t i v e l ye q u a l i z e dc h a n n e li nt h ea n a l o g d o m a i n a ne r r o rs i g n a ld e r i v e da tt h eo u to ft h ea dc o n v e r t e ri sd i g i t a l l yp r o c e s s e da n d u s e di o a d j l a s ta n a l o gs i g n a l p r o c e s s i n gb l o c k st h a te v e n t u a l l yd r i v et h et i m e a v e r a g e d s l i c e re r r o rt oz e r o t h ec i r c u i tu s e sm i x e d s i g n a lt e c h n i q u e st op e r f o r mt r a n s m i tp u l s es h a p i n g ，r e c e i v e a d a p t i v el i n ee q u a l i z a t i o n ，b a s e l i n ew a n d e rc o m p e n s a t i o n ，a n dt i m i n gr e c o v e r y s o m eo t h e r c i r c u i t sa l s ow i l lb e d e s i g n e dt h a tt h eb a n d g a pr e f e r e n c ea n dp l l c i r c u i t t h a tc i r c u i t sw i l l b ei m p r o v e df r o mp e r f o r m a n c e a l lo ft h ec i r c u i t sa r es i m u l a t e db yh s p i c et o o l si na 0 3 5 u r n1 p 5 m p r o c e s s k e yw o r d ：a d a p t i v ee q u a l i z a t i o n ；a dc o n v e r t e r ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；p l lc i r c u i t n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 1 绪论 墟着信息革命的到来，信息的传输自然而然的就成为了人们考虑的焦点。随后在 美国政府提出建设“信息高速公路”的计划地推动下，网络作为信息传播的一个重要 载体，受到无比地青睐和重视，它正以惊人地速度迅猛发展。 网络的发展是多方面地，提高网络的使用性能自然是重中之重，主干网带宽从起 初的几十兆到现在的上千吉，就是从带宽和速度上提高网络性能，其次就是结构，计 算机网络结构可以说是错综复杂，l a n 、w a n 、i n t e r n e t 、i n t r a n e t 、i s d n 、a t m 都是 网络针对各自的应用范围作出的具体实现。 本课题的具体任务是对太网卡控制器芯片的1 0 0 m 物理层进行设计和实现。以太 网是l a n 的一种实现方案，它诞生于7 0 年代，在8 0 年代通过与令牌环实现方案的竞 争，成为主流的l a n 实现方案。这一方案的具体实现就是以太网卡，它以i e e e 8 0 2 3 ( 以：赶网协议) 为基础，并结合了上层的接口电路。网卡作为网络建设的必备设备之 一，市场规模相对较大，并且一直保持着高速增长。随着国家信息化建设的推进，网 卡市场将继续呈现高速发展的势态。2 0 0 0 年度i o o m b 网卡最受用户欢迎，占到总销量 的4 2 ，2 0 0 0 年我国网卡市场仍以以太网网卡为主流。以太网网卡包括l o m b 、l o o m b 、 1 0 + 1 0 0 m b 、l o i o o m b 以及千兆以太网网卡。对于普通的文件共享等应用来说，l o m b 网卡就能满足，加上其明显的价格优势，2 0 0 0 年度其市场份额占到3 6 ；而随着语 音和视频等应用的增加，由于i o o m b 网卡更有利于实时传输，导致2 0 0 0 年1 0 0 m b 网 卡成为市场的主流，市场份额占到4 2 ，超过了l o m b 网卡的市场份额，但由于目前 l o m b 技术已经拥有庞大的市场基础，企业为了保护已有投资和有利于网络的进一步扩 展仍将使用i o m 网卡，所以l o m b 网卡仍会在较长时间内占有较高的市场份额。1 0 + i o o m b 和1 0 1 0 0 m b 自适应网卡的销量有所上升，但由于价格较高，购买的人也就相对 较少，二者的市场份额总共仅占1 7 左右，干兆以太网网卡一般用于服务器与交换机 之间的连接，以提高整体系统的响应速度，价格当然也就比较高，所以销量较低，2 0 0 0 年度市场份额仅占5 。一般通用的p c 上的网卡的上层结构是p c i 或者是i s a 。 华中科技大学硕士学位论文 以太网卡先后经历了三个发展阶段，即i o m 网卡、1 0 0 m 网卡和1 0 0 0 m 网卡。总的 来讲，以太网卡技术已经成熟，i o m 网卡的价格现已经很低，估计价格不会再有下降 的空间。l o o m 网卡将成为目前市场的主流产品，而1 0 0 0 m 网卡将成为下一代主流网卡， 目前尚无法形成规模化市场。根据市场研究公司i n - s t a t 统计，1 9 9 7 年全球网卡总销 售额达到4 ，1 8 0 万美元，而到1 9 9 9 年时就跃升到了5 ，2 7 0 万美元。随着i n t e r n e t 在 中国的蓬勃发展，加之政府鼓励企业上网，以及低价p c 的普及，网卡市场在今年会 有很大增长。统计数据表明，1 9 9 9 年中国网卡总销售量达到5 0 5 万片，比1 9 9 8 年增 长了5 5 6 ，销售额达到4 2 亿元。据业内人士估计，今年中国网卡市场总量将达到 6 0 0 万片。 现在，许多p d a 产品纷纷上网，这就要求一种体积小、价格低、功能强大的网卡 设备来适应市场的需求。因此增加网卡芯片的集成度就自然成为主要的研究方向。由 此产生了一种在一块芯片中集成了三种适配器功能的快速以太网解决方案，这三种功 能包括：介质访问控制器( m a c 子层) 、物理接口( p l s 和a u i 层) 和介质联结单元( m a u 层) ，并且它是符合高级配置与电源接口( a c p i ) 标准的一个快速以太网解决方案。 随着i n t e r n e t 、i n t r a n e t 的飞速发展，越来越多的网络应用对网络提出了高速 的要求。1 9 9 6 年7 月，i e e e 8 0 2 3 工作组成立了8 0 2 3 千兆以太网特别小组，开始对 千兆以太网技术进行标准化。i e e e 8 0 2 3 第轮投票已于1 9 9 7 年8 月举行并获通过， 1 9 9 7 年9 月进行了一些小的修改。 于兆以太网使用8 0 2 3 以太网帧格式及c s 眦c d 介质访问方式，使得传统以太网 用户由1 0 m b p s l o o m b p s 升级到千兆位相对容易。千兆以太网是对已获成功的i o b a s e t 和i o o b a s e - - t 标准的扩展，它在提供1 0 0 0 m b p s 原始数据带宽的基础上与已安装 的巨大的以太网节点基本上保持了全面的兼容。它所提供的简便迁移和支持，以及在 管理应用程序和数据类型的可缩放性和灵活性使之成为了高速、大带宽联网的战略性 选择， 由上可见，以太网正朝着全和快的方向发展，但是这并不意味着现在研究1 0 l o o m 的以：太网是件过时的事。 以太网卡的主要组成部分就是p h y 层( 物理层) 和m a c 层( 媒体访问控制层) ， 2 华中科技大学硕士学位论文 其中的m a c 层就其本质而言是对一种信道共享算法的实现。信道共享最基本的方法有 三种：t d m a ( 时分复用) ，粕姒( 波分复用) ，c d 姒( 码分复用) 。m a c 层的c m s a c d ( c a r r i e r s e n s e ) m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) ( 冲突检测的载波监听多点接 入) 算法就是t d m a 的一种具体实现。从1 9 8 5 到2 0 0 0 的协议可以看出，m a c 层的变动 不是：赶大，涉及到的算法基本上没有变，换句话说，现在研究1 0 1 0 0 m 以太网并不过 时。而且千兆以太网愿向的就是我们传统的微机l a n ，并且我们面临的问题有时候并 不是速度可以解决的。 因此1 0 1 0 0 m 的以太网还是大有研究的必要，至于说到1 0 1 0 0 m 以太网的m a c ， 前面已经说过，它的核心是一种算法，而且从1 9 8 5 年来基本上没有大的变化，可见 它的价值。而且这种短距离的信道共享技术在工业中应用非常广泛，研究一种对其他 有触类旁通的作用。 对于1 0 1 0 0 m 的以太网卡控制芯片物理层部分，主要是实现数据信号在不 同介质上的收发工作。它主要包括并串转换，串行数据编码，数模转换，和数据时钟 恢复等模块。这几个部分都是大部分通讯芯片上必须要求有的模块，所以有较高的重 复利用价值。 1 2 以太网络基本理论 1 2 1o s l 参考模型 国际标准化组织( is0 ) 开发了开放式系统互联( 0si ) 参考模型，以促进计 算机系统的开放互联。开放式互联就是可在多个厂家的环境中支持互联。该模型为计 算机间开放式通信所需要定义的功能层次建立了全球标准。 n osi 参考模型在2o 年前被开发出来时，它被认为是非常激进的。要知道，那 个时代的计算机产业将用户锁定在专利私有产品的单一厂家体系结构中。开放式通信 被看作向竞争发出的邀请。从生产制造商的角度看，是不期望竞争的。因此，所有的 功能都被尽可能紧密地结合在一起。功能模块或者层次概念似乎不符合任何制造商的 需求， 该模型很成功地达到了它最初的目的：将它自己付诸讨论通过。至此，早先的专 3 华中科技大学硕士学位论文 利极端集成方式已经消失了。今天，开放式通信是必需的，令人惊奇的是，很少有产 品是完全的osi 模式：相反，其基本层次框架常常满足新标准。然而，0si 参考 模型为示范网络的功能结构提供了可行的机制。尽管osi 参考模型是成功的，但对 它却有大量的误解。第一个误解就是0si 参考模型是由i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 开发的，其实不是。o s i 参考模型是由国际标准化组织 ( i n t e r n e to r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，i s o ) 开发的，该组织更愿意使用可 帮助记忆的缩写而不是词首字母缩写。可帮助记忆的缩写是以希腊字母为基础的，而 s o s ，意思就是平等或标准。 o s i 模型将通信会话需要的各种进程划分成7 个相对独立的功能层次，这些层次的 组织是以在一个通信会话中事件发生的自然顺序为基础的。 图1 1 描述了o s i ，1 - 3 层提供了网络访问，4 7 层用于支持端端通信。 o s i 参考模型层次描述o s i 层次号 应用层 7 表示层6 会话层 0 传输层 4 i网络层3 i数据链路层2 l物理层 1 图i 1o s i 模型 网卡控制芯片处于物理层和数据链路层的两个部分，所以下面我们将着重讨论 这两个部分。 最底层称为物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ，这一层负责传送比特流，它从第二层数据 链路层( d l l ) 接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发送即每次发送一个比特，然后 这些数据流被传输给dll 重新组合成数据帧。从字面上看，物理层只能看见0 和l ， 它没有一种机制用于确定自己所传输和发送比特流的含义，而只与电信号技术和光信 一一。 4 华中科技大学硕士学位论文 号技术的物理特征相关。这些特征包括用于传输信号电流的电压、介质类型以及阻抗 特征，甚至包括用于终止介质的连接器的物理形状。 o s i 参考模型的第二层称为数据链路层( d l l ) 。与所有其他层一样，它肩负两 个责l 壬：发送和接收。它还要提供数据有效传输的端端( 端到端) 连接。 在发送方，d l l 需负责将指令、数据等包装到帧中，帧( f r a m e ) 是d l l 层生成的结构， 它包含足够的信息，确保数据可以安全地通过本地局域网到达目的地。成功发送意味 着数据帧要完整无缺地到达目的地。也就是说，帧中必须包含一种机制用于保证在传 送过程中内容的完整性。 为确保数据传送完整安全到达，必须要做到两点： 在每个帧完整无缺地被目标节点收到时，源节点必须收到一个响应。 在目标节点发出收到帧的响应之前，必须验证帧内容的完整性。 有很多情况可以导致帧的发送不能到达目标或者在传输过程中被破坏或不能使用。dl l 有责任检测并修正所有这些错误。dll 的另一个职责是重新组织从物理层收到的数 据比特流。不过，如果帧的结构和内容都被发出， dll 并不重建一个帧。相反，它 缓存到达的比特流直到这些比特流构成一个完整的帧。 1 2 2 网卡控制芯片的主要协议和相关算法 l _ 多路存取网络上的载波侦听( c s 眦) 协议 以太网最有趣的方面是协调传输的机制。以太网不使用中央控制器来通知每台计 算机怎样按顺序使用共享电缆。相反，所有连接在以太网上的计算机都参与一种叫做 多路存取载波侦听( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，csma ) 的分布协调方案。 这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态。当没有计算机发送帧时，以太中不 含有电子信号。然而在帧的传输过程中，发送计算机传输用于对位串进行编码的电子 信号。这样，为了确定电缆当前是否正被使用，计算机可以检测载波。如果当前没有 载波，计算机就能传输一帧。如果当前存在载波，计算机必须等待其他计算机发送完 成a 从技术上讲，检测载波叫做载波侦听，并且这种利用信号的存在性来确定何时传 输的想法叫做多路存取载波侦听( c s m a ) 。 因为c s h l a 允许每台计算机分别确定共享线路是否已被其他计算机使用，所以它能 一 华中科技大学硕士学位论文 防止计算机打断一个正在进行的传输。然而，c s m a 不能防止所有可能的冲突。为了理 解其中的原因，我们想象一下如果两台分别位于空闲电缆两端的计算机同时准备发送 帧时会发生什么。两台计算机将同时检测载波，同时发现电缆是空闲的，然后同时开 始发送帧。电子信号的传播速度大约为光速的70 ，当两台计算机发送的电子信号 在电缆上同一点相遇时，它们将会相互干扰。两个信号的相互干扰称为冲突。尽管冲 突不会损坏硬件，但是它产生了混淆的传输，阻止 了任何一个帧的正确接收。为了确保没有其他计算机同时传输，以太网标准要求每个 发送站监测电缆上的信号。如果电缆上的信号不同于该站发送出去的信号，即意味着 出现了冲突( 为确保冲突在停止发送前到达所有的计算机，以太网标准规定了最大的 电缆长度和最小的帧尺寸) 。当一台正在发送的计算机检测到冲突，它立即停止传输。 这种在传输的过程中监测电缆的方法称为冲突检测( c o l l i s i o nd e t e c t ，c d ) ，并且 这种以太网机制称为载波侦听多路存取冲突检测( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t bc o n i s i o nd e t e c t ，c s m a c d ) 。 c s m a c d 不仅仅只检测冲突一它也能从冲突中恢复。在一个冲突发生后，计算机 必须等待电缆再次空闲后才能传输帧。然而，如果以太网一空闲计算机就开始传输， 那么另一次冲突就会发生。为了防止多次冲突，以太网要求每台计算机在冲突后延迟 一段时闯才尝试传输。标准指定了最大延迟d 并且要求每台计算机选择一个小于韵 随机延迟a 在大多数情况下，当计算机随机选择一个延迟时，它将选一个与其他计算 机所选的值都不相同的值一选择到最小延迟的计算机将开始发送帧，网络将恢复正常 运行a 如果有两台或多台计算机在冲突后恰好选择几乎相同的延迟，那么它们将几乎 同时开始传输，导致第二次冲突。为了防止一连串的冲突，以太网要求每台计算机在 每次冲突后把选择延迟的范围加倍。这样，计算机在第一次冲突后从0 到d 之间选择 个随机延迟，在第二次冲突后从o 到2 d 之间选择，在第三次冲突后从0 到4 口之间选择， 依此类推。在几次冲突后，选择随机值的范围变得很大，一些计算机选择了较短的延 迟而无冲突传输的概率就变得很大。 从技术上讲，每次冲突后随机延迟的范围加倍就是所谓的二进制幂重发( b i n a r v e x p o n e n t i a lb a c ko f f ) 。从本质上来说，幂重发意味着以太网能在冲突后迅速恢复， 华中科技大学硕士学位论文 因为每台计算机都同意当电缆繁忙时，在两次尝试之间等待更长时间。在两台或多台 计算机几乎选择相同延迟的极少数事件中，幂重发保证了在几次冲突后电缆的竞争将 会降低。我们可以总结为：连接在以太网上的计算机使用csma cd ，即计算机 在传输帧以前要等待以太网空闲。如果两台计算机同时传输，冲突就会发生。计算机 将使用指数重发来选择让哪台计算机传输。每台计算机在试图再次传输之前要延迟一 段随机时间，并在随后的每次冲突后，延迟都加倍。 以下给出c s 姒c d 的帧结构说明： 图i 2 数据帧结构 p ：前导码字段( 7 字节) 每字节为1 0 1 0 1 0 1 0 该字节的曼彻斯特编码会产生i o m h z ， 连续5 6 u s 的方波，从而使接收方于发送方的时钟同步。 s f d ：帧起始段( 1 字节)为1 0 1 0 1 0 1 l 表征本帧的开始。 d a ：目的地址段( 2 或6 字节) 单地址与组地址。 s a ：源地址段( 2 或6 字节) 单地址与组地址。 l e n g t h ：长度字段( 2 字节) 指示后面字段的字节数。 l l c p d c ：信息字段。 p a d ：填空字段当信息段不足4 6 字节时填空使整个帧的大小达到最小的6 4 字节。 f c s ：帧校验序列字段( 4 字节) 采用c r c 循环冗余校验法。 总体上，数据帧由8 个字段组成，最小帧长不低于5 1 2 b i t ，最长帧不大于1 5 1 8 b i t 。 2 退避算法( b a c k o f fa l g o r it h m ) 为了避免被撞发生后重发时再一次发生冲突，合理设计重发延时就成为很必要的 了。一般来说重发的延时是可以随机选取的，但它对解决负载较重时出现的多次碰撞 不堪理想。目前为了保证在负载增大的情况下网络能稳定的工作，多采用的是二进制 指数退避算法来计算每次重送的延时。 平均重传延时时间t = ( 2 t ) 2 ( n 1 ) 。其中n 为一个信息包已发生碰撞的次 数，t 为一个信息包在传输媒体上进行全程传输的延迟。这个算法是针对负载比较中 的情况下设计的，重发延时随着冲突次数的增加而增加，从而减轻了负载。 一 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文设计内容以及结构篇幅安排 本文主要是设计介于m a c 层和传输媒质之间，接收和发送数据通道的硬件， 即物理层( p h y ) 。它主要包括为芯片提供稳定电压的参考电压源，为收发数据提供标 准时钟的时钟产生器，以及数据接收电路( 时钟恢复和数据恢复电路) ，以及接口电 路( a d ，o a 转换电路) 。 本文篇幅安排如下： 第二章主要是讨论物理层的整体体系结构。 第三章主要是设计和实现参考电压源电路。 第四章主要是设计和实现1 2 5 m 标准时钟产生电路。 第五章主要是设计和实现时钟和数据恢复电路。 第六章主要是设计数一模转换电路。 第七章是全文的总结。 i _ 一 华中科技大学硕士学位论文 21 0 1 0 0 m 自适应网卡控制器物理层体系结构 2 1 网络控制器芯片整体结构 1 0 1 0 0 m 自适应网卡控制芯片主要是分为两个主要的部分：m a c 层的控制部分 和p h y 物理层控制部分。m a c 主要是实现数据的发送前的打包，校验，以及发送的 监测控制和流量控制。而p h y 主要是将要发送的数据转换成易于介质上传输的信号 流，包括并串转换，编码，和时钟恢复以及数模转换工作。图2 1 描述了整个以太网 卡控制芯片的结构图。 图2 1 以太网卡控制芯片结构图 图2 1 下部分为m a c 层的控制电路，它包含了多个接口，包括和主机h o s t 端 连接的p c i 接口，和e e p r o m 相连接的串行接口，以及和p h y 相连接的标准端口。 图2 1 中部是一个s r a m 模块，它主要是用来缓存要发送和接收的数据，即f i f o 功 能模块。图2 1 顶层为p h y 模块它的接口主要是和m a c 连接的标准接口以及传输介 9 华中科技大学硕士学位论文 ：一= 一：= = # = = = = = = = = = = ；= = = = = # = = = = = = = = ；= 质的接口。信号在介质中是以差分信号传输的，所以接口包含了接收t p r d p m 和发 送t p t d p m 两对信号。 2 2 物理层体系结构分析 我的主要设计内容是1 0 0 m 以太网卡的物理层模块，所以下面着重分析以太网卡 物理层的体系结构。以太网卡物理层根据数据路径可分为两个大的部分，一是1 0 m 数据的接收和发送电路，二是1 0 0 m 数据的接收和发送电路。它们两者是相互独立的 两个模块，这是由于1 0 m 网卡早于1 0 0 m 出现，而1 0 1 0 0 m 网卡是在1 0 m 的基础上 发展而来的，1 0 0 m 的数据速率要远远大于1 0 m 的数据流，所以1 0 0 m 对数据处理方 法与1 0 m 的有很大的不同，设计者只有把它们分开来设计。从下面图2 2 中，能清晰 的看到两条分离的数据路径。 图2 2 物理层的体系结构 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 左边是发送通道。在发送通道中，分为两条数据路径。当网卡决定以i o m 速率发送数据时，数据先被转换成m a n c h e s t e r 编码，然后发送传输连接脉冲， 通过数据流滤波后发出到数模转换模块，将信号发送到介质上去。数据流向如下图2 _ 3 所示。 图2 3i o m 数据发送流向 图2 , 4 1 0 0 m 数据流向 当网卡以1 0 0 m 速率发送数据时，它首先将4 位并行数据转换成5 位的数据编码 然后通过并串转化，变成串行数据进入串行数据编码模块，完成n r z 到n r z i 码， 一_ l l 华中科技大学硕士学位论文 然后到m l t - 3 码的转换，进入数模转换模块，将数据传输到介质上。数据流向如图 2 4 所示。 在数据的接收端，也就是图2 2 右半边，也是分为两条数据路径。可以看出它们 的接收模块正好是发送模块的逆向，但是都多了一个数据时钟恢复模块。它主要是通 过接收到的串行信号，恢复出数据和数据时钟，用恢复的时钟来控制数据接收，达到 同步的作用。 图2 2 是根据p h y 功能行为级划分的，它能清晰的反应数据路径和各个模块的功 能。但是在实际的设计过程中，模块之间的界限变得模糊，一些小的功能模块都在一 个大的模块中实现，并且数字和模拟电路混杂在一起，这是设计中不希望出现的。我 们将数字模块和模拟电路分开，这样避免数字信号产生的噪声对模拟电路的干扰。图 2 5 给出实际的设计模块，数字电路模块为m a c ，m i i ，p c s ，p m a 模块。其中m i i 包括 芯片寄存器堆，以及与m a c 和p c s 的接口。p c s ( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ) 和p m a ( p h y s t c a tm e d i u ma t t a c h m e n ts u b l a y e r ) 实现了数据并串转换和数据编码等其他8 0 2 3 协议上所规定的功能。模拟电路包括b g ( b a n d g a pr e f e r e n c e ) ，c g m ( c l o c kg e n e r a t i o n m o d u l e ) 和c r m ( c l o c kr e c o v e r ym o d u l e ) ，a d c ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) a n dd a c ( d i 酣a l a n a l o gc o n v e r t e r ) 。 b g 为整个芯片提供一个不随温度和电压波动的稳定参考电压。c g m 为整个芯片 提供时钟信号，它能提供数据传输所需要的1 2 5 m 的时钟信号。c r m 为接收模块提 供一个与接收数据信号同步的时钟。而a d c 和d a c 将实现数字信号和模拟信号之 间的相互转换。 图2 5 实际的设计电路布局 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 3 本章总结 本章完成了整个芯片结构分析，并着重分析了芯片物理层体系结构，明确了本文 的设计内容。最终的分析结果是我要研究的电路主要为以下4 个电路： 参考电压源电路 时钟( 1 2 5 m ) 产生器电路 时钟恢复电路 数模转换电路 百一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = ! # = # = # 目；= # ；# ；目；# _ 3 基准参考电压源设计 3 1 基准参考电压模块概述 | 髓糟集成电路工艺辅设计水平的发展，芯片内部基准电压源已经成为模拟集成电 路和数模混合集成电路中的个核心部分。在网络接制芯片中，也要求能提供蒸准电 压源。b g 模块为网络控制芯片提供了统一的参考电压积电淡源。 因为芯片器件电学拳謦性糖环境( 如滋度) 交纯露变纯，芯片兹工作环境霹戬扶一2 0 到l 弱交化。我嬲要求蕊片姥奁( 一1 0 ，1 2 5 ) 之溺能难常工俸，这就时b g 模块 提爨7 较离蕊要求。 本章设计了一种其育低温度系数，商电源郝制比，简抗失配能力的c m o s 能隙电 隘源，它能徽好的克服电路中器件失配问题，并能抑制失调电压，大大提商了电路的 性能。 3 2 经典的糍隙基准泡嚣源电路 经典的自隙基准电压源电路“3 包含一个捧准运放单元，疆个双极性藻体管敢是令 电阻。电路图如图3 + l 所示。 銎3 1 经典的麓骧蒸准奄压源电路 墨中漉经双极性晶体管窀流公式如下灌 f = 蚕( 8 9 4 ”7 一1 ) s 矿”脚”( 3 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 很容易得到以下关系：e = 所1 n ( 去) _ 2 其中所= 么。 标准运放保证了a ，b 电位相等，所以有如下关系： 踟s = l _ 2 = 所l n ( 盯面r 2 ) ( 3 3 ) 基准电压源输出： 哳- - 邯+ 号陆= 州+ 静h - 静坼 c 。t ， 4 式中o v b e i a t a - i 5 m v 。k ，具有负温度系数。a 所a r = 0 0 8 7 m v 。k 具有王的温度系数。当温度发生变化时，能通过改变改变r 2 r 3 或者r 2 r 1 的大小， 保证两项之间的变化大小相同，则可以达到v r e f 不随温度改变的目的。 3 3 基准参考电压源电路的改进 3 3 ip t a t 偏置电路 图3 2 具有p t a t 电路的能隙基准电压源电路 实际电路中，常采用p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 偏置电路。 一1 5 华中科技大学硕士学位论文 p t a t 电路具有较低的温度系数，能保证产生较好的偏置电流。被改进后的能隙基准电 压源电路能产生一个p t a t 电流，加在一个双极型晶体管上。如图3 2 所示，p t a t 具 有正的温度系数，而双极型晶体管具有负的温度系数，在某种条件下能产生零的温度 系数的电压源。该电路的放大器的输出为容性负载，能提高能隙基准电压源电路的负 载能力。 3 3 2s t a r t u p 电路 在图3 2 所示的电路，可能会出现零输出的情况。因为当放大器的输入都为零电 平的时候，电路处于一种不工作的状态，所以需要一个电路来破坏这种平衡。如图3 所示引入一个偏置电压，使电路不能出现在零状态。 图3 3s t a r t i j p 改进电路 3 3 3 抗失配性和电压抑制比的改进 在实际生产过程中，器件会出现不匹配的情况。它使得电路的工作性能大大的降 低，所以在实际的设计中，必须要引入一种反馈机制，使得电路工作在一种动态的平 衡中。实际的电路如图3 4 所示，在输出级通过电阻反馈个电压到p t a t 偏置电路 中的两个双极型的基级上，代替图3 3 中的r 1 电阻。当v r e f 增加时，反馈到两个双 一 华中科技大学硕士学位论文 g ：j ；= ；= ；= ；= # = = ；= z = # = 极型晶体管基级上的电压差变大，使得放大器的输出电压小，从而使得输出级的电流 变小，导致v r e f 变小。同理可得，当v r e f 减少时，放大器的输出变大，使得v r e f 变大。 电路还采用了增加共源共栅器件“3 ，来提高电路的电源抑制比。增加的两个电阻 为器件提供偏置，使器件工作在饱和区。 圈3 4 抗失配改进电路 3 3 4 减少运放失调电压对电路的影响的改进 以上电路都是假定运放工作性能理想，开环增益足够大，并且失调电压为零。但 是在实际电路中，运放的设计达不到设计要求，一般都带有一定大小的失调电压v “。 这样务必影响a ，b 两点电位比较精确度。 = + ( 1 十警) 阮= z + ( 1 + 面r 2 ) 1 n ( 力丽r 2 ) 巧一) ( 3 5 ) 可以看出v o s 的引入改变了电位v r e f 的大小，并且由于v o s 能随着温度的变化而变 化，所以也降低了v r e f 的温度性能。下面电路能减少v o s 对温度性能的影响： 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = ；= = 目= = = ；。；= 目= = = ；= ；= = ； 易得 图3 5 抑制v o s 影响电路 岍+ ( 令眺 = + 喏) ( 2 咖) 砒s j ( 36 ) 地1 + ( 孝 l n ) v t ，- 1 z v o s 从上：式结果可以看出改进后，运放的失调电压影响降为原来的一半。这无疑提高了带 隙恒压源的性能。 3 4 恒压源转恒流源电路设计 在很多电路中要求有一定大小的恒流源，我们利用生成的恒压源产生一些我们 需要的恒流源。图3 6 中电路由两种工作模式： 模式一：利用y r e f 产生的电压源构成电流源“。 当控制信号t u n e 一1 1 = 0 时，m 1 0 2 管开启，m 1 0 7 管断开。v r e f 通过反馈加载在电 阻r b i a s 上面，所以m 1 2 ，m 3 5 ，m 1 1 这支的电流由v r e f 和电阻r b i a s 决定，其他支上 的电流通过镜像这支的电流而得到。由于v r e f 不随温度而变化，所以产生的电流也 不随温度而变化。 华中科技大学硕士学位论文 图3 6 恒流源产生电路 模式二：利用一般偏置电流镜的方法产生电流源叫w 。 当控制信号t u n e _ 1 1 = 1 时，m 1 0 2 管断开，1 1 0 7 管开启。此时v r e f 对电路没有任 何的影响，n e t1 0 3 ，1 8 6 为电流源各支提供一般偏置。 3 5 电路仿真结果 3 5 1 运算放大器的性能仿真 1 运放的设计要求： 运放单元的主要性能指标“包括：共模抑制比( c m r r ) 8 0 d b ；共模输入范围( i c m r ) 为( 1 1 5 ) v ：差模幅频特性( 增益和相位裕度) ( g a i n 4 5 d b ，相位裕度 6 0 。) 。 2 运算放大器架构 采用的运放单元为折叠叠加”构架，如图3 7 所示。 图3 7 折叠放大器原理图 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = = = ；= = = = j = ；= = ；= = = ；= = = ；_ ； 3 ：则试条件和仿真结果 测试负载：c = 2 p f * 共模抑制比测试电路“3 “1 和仿真结果 r 、 ： j l 图3 8 测试电路( 左) 测试结果( 右) 测试电路使用了两个相同的运放单元，一个输出差模信号，而另一个输出共模信 号。我们能得到c m r r = a v d a v c 如图( 右) 所示，可知c m r r 能达到l o o d b 左右，完 全能符合我们的要求。 差模幅频特性“5 1 的测试： 将一差分信号加在运放的两端，我们能得到如图3 9 的仿真结果。 图3 9 幅频特性测试结果 由图可以看出g m n 可以达到6 0 d b 左右，并且相位裕度能达到8 0 。，都符合设计 要求， 输入共模信号范围“5 “： 前置放大器的共模输入电压范围： 。荜； 。霉； 华中科技大学硕士学位论文 v i n ( m a x ) 1 ) ( 4 7 ) ，国f + l 籽善j o j 丽1 = 日刊= 而k 两) 相位处于在一三一等，环路比较稳定，一般选毒大些，环路稳定。 z 叫酱| ； 图4 3 阻尼因子和系统稳定性的关系 当环路处于跟踪状态又无大的干扰时，吼( ，) 很小，s i n 0 ( t ) z 以( ，) ，这时的环路 方程为线形方程： j 见( j ) = s o ( s ) 一k d k v c o f ( s ) o , ( s )( 4 9 ) 于是可用线形分析方法来分析环路性能。根轨迹法是用闭环传递函数作为环路增 益函数时的极点曲线，这种方法可以从已知的开环极点和零点的位置很快确定闭环响 应的极点。相关理论可以参考信号与系统课程。这里不再作分析。 华中科技大学硕士学位论文 4 4 电荷泵锁相环的设计和实现 4 4 】电荷泵锁相环工作原理 电荷泵锁相环。”。4 是最近比较流行的锁相环。它共分为以下几个部分：鉴相器， 电荷泵，环路滤波器，压控振荡器，和根据系统不同而不同的分频器。如图4 4 所示。 鉴相器用来比较参考信号相位和输入信号相位，产生控制电荷泵的u p 和d o w n 信号，它决定了流向环路滤波器的电流，一阶的环路滤波器由一个电容和一个电阻串联 而成，电荷泵产生的电流通过对环路滤波器充放电来控制压控振荡器的控制电压，