（微电子学与固体电子学专业论文）高速串行收发器与寄生供电总线的研究.pdf

高速串行收发器与寄生供电总线的研究 摘要 本文研究了高速串行通信收发器和串行通信中的寄生供电技术：对寄生供电 1 - w i r e 总线的性能进行了改进，把其寄生供电容量由5 衅提升到1 n 认，而数据 率由1 4 3 k b p s 提升到1 m b p s 。 在高速串行通信收发器的研究中，首先对收发器的系统结构进行了理论研究： 探讨了数据电缆的传输模型和均衡器的原理，对锁相环型和过采样型数据恢复电 路进行了详细分析，研究了多种鉴频鉴相器和环路振荡器的结构的技术特点。然 后，本文研制了一种高速u s b 2 o 收发器，其数据率为4 8 0 m b p s 。为了适应0 1 3 岬 混合信号c m o s 工艺下器件特性，对于收发器的具体电路结构进行了改进设计： 设计了高速电流模式差分比较器来实现幅度检测；设计了前馈式时钟占空比校正 电路；在锁相环中应用了改进设计的带窗口使能的鉴相器以使鉴频鉴相器电路结 构的可选范围更宽，有利于选择性能优异的鉴频鉴相器结构；设计了模拟连续调 整的共模反馈电路用于控制电压的共模电平控制，与开关电容等传统结构相比其 电压调整过程更平稳，有效地减小了控制电压纹波导致的压控振荡器输出时钟的 抖动。设计中还采用周期灵敏度的概念对于环路滤波器的电容值进行了优化设计， 尽量减小环路带宽以减小压控振荡器输出时钟的抖动。电路在s m i c 流片后经测 试，结果表明规范要求的功能均实现，发送数据抖动( 均方根) 为5 3 p s ，接收误码率 小于1 0 1 2 ，核心电路功耗空闲时为1 0 8 m w ，接收时为1 4 4 m w ，发送时为4 2 5 m w 。 芯片面积为1 9 3 6 m m 1 9 3 6 眦l ，其中收发器的面积为9 0 0 岬x 7 0 0 岬。 在串行通信寄生供电技术的研究中，本文深入探讨了1 w i i 迮的寄生供电机制 和数据传输方式，针对1 w i i 也的两个重要挑战：仅有5 衅的寄生供电容量过小； 常速时1 6 k b p s ，超速时1 4 3 k b p s 的数据率过低，提出了崭新的解决方案：本文深 入研究了寄生供电原理，针对固定电阻的上拉强度不能调整，从而难以在数据传 输和寄生供电两种性能之间取得平衡，本文研制了一种自适应上拉电路，其上拉 强度随着信号电源线的电平而自动调整，从而在不影响数据传输的前提下，寄生 供电容量大幅度增加到平均值1 m a ，峰值1 0 m a ，并且新器件保持了对现有1 w i i 迮 从设备的向下兼容性；在此基础上，本文深入研究了数据传输方式，考察发现 1 w l r e 采用的位异步方式中，每传输一位之前都要传输宽度为1 “s 的同步脉冲， 该脉冲用了传输带宽的大部分，本文据此以包异步方式代替了位异步方式，充分 利用了传输带宽，把数据传输速率大幅度提高到了1 m b p s ，而且新的传输方式下 最窄脉冲为1 肛s ，与现有方式的位同步脉冲相同，因此没有占用额外的传输带宽。 采用t s m c0 2 5 岬c m o s 工艺设计了原型电路，仿真结果与预期符合。 关键词：u s b ，收发器，锁相环，1 w i i 汪，寄生供电 中图分类号：t n 4 9 2 i i i 高速串行收发器与寄生供电总线的研究 a b s t r a c t ( 英文摘要) h i s p e e db a s e - b 锄ds e r i a ll i i l l ( 仃 m s c e i v e r s 锄dp 撇s i t ep o w e r e ds e r i a lb u sa r e s 叫i e di nt l l et h e s i s t 1 1 er e s e a r c hw o r ki i l c l u d i n g ：ah i - s p e e du s b 2 0t m s c e i v e ri s d e s i 印e dm 0 13 p mm i x e d _ s i g i l a lc m o st e c l l n o l o g ya n di tg e tas a t i s 匆i n gr e s u l t si nt 1 1 e p h y s i c a l l yt e s t ；t h em a i np e d 、0 m i a i l c e so fp a r a s i t ep o w e r e ds e r i a lb u s1 - w i r ea r e i m p r o v e ds u i m 嬲t l l ec a p a b i l i t ) ro fp a r 解i t ep o 、e ri si n c r e 邪e df r o m5 u at o1 m a ，a i l d t h ed a t ar a t ei si n c r e a s e d 舶m1 4 3 k b p st o1 m b p s o nt l l e l l i - s p e e db 嬲e - b a n d s e r i a lc o m m u i l i c a t i o n ，f i r s t l yt l l e t ) r p i c a ls y s t e m a r c l l i t e c t u r eo fm s p e e ds e r i a ll i n k 缸a n s c e i v e r si sd e s c r i b e d ，i n c l u d i n g 缸蚰s m i s s i o n n l o d e lo fc o n u n u i l i c a t i o nc d b l e ，p ：r i n c i p l e so fe q u a l i z e r ，p h a u s e l o c k e d l o o p ( p l l ) b a s e dc l o c ka n dd a t a r e c o v e r y( c d r )c i r c u i t s ， p h 嬲ed e t e c t o r sa n dm n g 1 v b l t a g e c o n n o l l e do s c i l l a t o r s e c o n d l yau s b 2 0i l i - s p e e dt r a n s c e i v e ri sd e s i g n e di n 0 13 肛l m i x e d s i g r l a l c m o st e c h n o l o g y c o n l p a r e dw 油t 1 1 ec o n v e n t i o n a lu s b 也m s c e i v e r s ，s o m ec i r c u i t sh a sb e e ni m p r o v e dt o 、o r k 、】 r i t l lm eu l n al o ws u p p l yv o l t a g e o f1 2 v ，s u c ha se n v e l o p ed e t e c t o r p h 弱ed e t e c t o r ，l o o pf i l t e ri np l l ，a n da n a l o g c o n t i n u o u s l ya d j u s t i n gc o m m o n m o d ef e e d b a c kc i r c u i t ( c m f b ) t h et 姗s c e i v e rh a s b e e nf a b r i c a t e di ns m i c 证o 13 岬lm i x e ds i g i l a l & r f1p 8 ms a l i c i d e1 2 3 3 v t e c l l l l o l o 醪1 1 1 et r a n s m i n e rj i t t e r ( r m s ) i s5 3 p sa tt h ed a t ae a t eo f4 8 0 m b p s ，a i l dt h eb i t e 玎o r 眦( b e r ) o f r e c e i v e ri sl e s st 1 1 a i l1o 叫z 1 1 1 ep o w e rc o n s 啪p t i o ni sl0 8 m ww h e n i d l e ，14 4 m w 、h e nr e c e i v i n ga n d4 2 5 m ww h e nt m s m i t t i n g ，r e s p e c t i v e l y t h ed i es i z e i sa d l i m i t e dt 01 9 3 6 m m 1 9 3 6 m m 、i t h i nw t l i c ht h ea r e ao f 也et r a n s c e i v e rw a s 9 0 0 p m 7 0 0 “m o np a r a s i t ep o w e r e ds e r i a lb u s ，t 、os o l u t i o i l sw e r ec 删e do u tt oo v e r c o m et h e d i m c u l t i e s1 一w i i 迮m e t ：i n s u f f i c i e n tl o wc 印a b i l i t yo fp a r a s i t ep o w e ra n dd a t ar 砷e f i r s t ，锄a d 印t i v ep u l l - u pc i r c u i ti nt l l eb u sm s t e rt a ：k e st i l ep l a c eo ff i x e dr e s i s t a 】e p u l l - u p ，s u c hm es 仃e n 舒ho fp u l l - u pc a nb ea d a p t e da m o m a t i c a l l yt ot h el e v e lo ft h e l w i i t et h a tt h ep a r a s i t ep o 、e rs u p p l yc 印a b i l 时i si n c r e a s e df r o m5 p at o1 m ai n a v e r a g e ，a n d1o m ao fap e a k f u r t l l e n n o r e ，t h ep r o p o s e db u sm a s t e rw a sb a c k w a r d c o m p l i a n t 谢mt h e删i t i o n 越1 - w i r es l a v e d e v i c e s ；s e c o n d ， a p a c k a g e - a s y c h r o n z i a t i o nm o d et a k e st h ep l a c eo f b i t - a s ”c h r 0 i l i z a t i o ni n1 - w i i 也，s u c h t h ee m c i e n c yo ft m s m i s s i o nb a i l 州d t hi si n c r e a s e dr e m a r k a b l yt h a tt h e1 1 i g h e s td a 诅 r a t ei si n c r e a s e d 矗i o m14 3 k b p st o1m b p s t h ep r o t o t y p ec i r c u i ti sd e v e l o p e d ，a n di ti s v e r i f i e db ys i m u l a t i o ni i lt s m c0 2 5 岬l o 百cc m o st e c h n o l o 黟 k e y w o r d s ： u s b ，t r a i l s c e i v e r ，p l l ， l w i r e ，p a 】滗峪i t e p o w e r e d e e a c c ：1 2 8 0 论文独创性声明 本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。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：耋必期： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：至丛查垒导师签名： 1 彩缸 高速串行收发器与寄生供电总线的研究 第一章引言弟一早jl 茜 1 1串行通信的发展 2 1 世纪，随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代 信息时代。信息产业( i t ) 是最近3 0 年发展最快的产业，信息产业的代表是 网络、计算机和通信。信息处理能力发展的滞后曾一度成为信息时代的瓶颈，但 是随着计算机处理器芯片快速地发展，作为信息处理机，计算机的信息处理能力 得到了巨大提高，今天个人计算机的中央处理器主频已经超过了3 g h z ，因此信息 处理能力已经不再是信息时代的发展瓶颈。信息网络提供了信息在信息源到信息 处理机或者信息处理机到信息处理机之间，或者是信息处理机到执行机构之问的 传输通道。通信技术与网络密切相关，它们提供的是信息在网络上流通的方式。 图1 1 所示是信息网络的基本结构。信息只有在网络的不同节点间流动刊会有意 义，这正是通信要解决的问题，因此通信技术成为信息时代的关键技术。 图1 1 信息网络 1 1 1通信的分类 按照分类的依据不同可以把通信系统分为多种不同的类型，由于分类的依据 各不相同，因此各种分类之间实际上是互相交叉的。 按照数据信号传输时的调制形式可以把通信分为载波通信和基带通信两种形 式【2 1 ：如果通信系统中的发送方把数据信号调制到载波上，然后通过媒介传输，接 收方利用解调器来恢复出数据信号，这样的通信方式称为载波通信，例如卫星通 信中通常把数据信号调制到k u 波段的微波( 频率1 0 7 1 2 7 5 g h z ，波长 2 3 m m 2 8 m m ) 【3 】上进行传输；如果数据信号不经调制，发送方直接发送数据信号， 则称为基带通信，如以太网( e t h e m e t ) 中的数据传输h 。 按照通信系统中同时传输的数据的位数不同，通信分为并行通信和串行通信： 第一章引言 如图1 2 所示，并行通信是指系统中发送方和接收方之间有多条数据通道，可以同 时传送多位数据，而且发送方和接收方之间有专用的时钟通道，不同数据通道中 的数据信号都与时钟同步，如p c i 总线【5 】；串行通信系统中的数据是逐位传输的， 同一时刻只能传送一位数据。串行通信系统中发送方可以向接收方在发送数据的 同时以单独的信道发送时钟同步信号，接收方根据发送方传送过来的同步时钟来 采样数据，这称为同步串行通信，1 2 c 【6 j 是一种典型的同步串行通信；发送方也可 以只传送数据而不传送时钟同步信号，接收方根据数据和通信协议自行恢复出时 钟同步信号，然后利用恢复出的时钟来采样数据，这称为异步串行通信，r s 2 3 2 【7 】 是一种典型的异步串行通信。现在基带异步串行通信已经成为通信的主流。在不 特别说明的情况下，后文中的串行通信即指基带异步串行通信。 上。 ，、： 发 接 送 收 方。五 t r 并行通信 数据 l时钟数据复合信号 发 1 l 接 送 收 方。再 f r 发1f l 接 送收 方方 同步串行通信 !异步串行通信 图1 2 并行通信、同步串行通信与异步串行通信 按照通信设备连接的拓扑结构，可以分为共享式结构和点对点结构。共享式 结构中多个终端连接在同一条通信电缆上，它们共享同一信道，包括信道的硬件 资源和带宽资源，如p c i 总线中所有的插卡都并联在总线上；点对点结构通常是 星形连接，其中每个终端都有一条专用的物理通道与交换式集线器相连，终端与 终端之间的通信都通过交换式集线器进行。由于每条信道都只能连接连个设备， 因此称为点对点结构。如1 0 0 b a s e t x 的以太网。 按照通信发起方式的不同，可以分为主从型、总线仲裁型、载波侦听冲突检 测型。主从方式的系统中的设备地位不平等，其中有且只有一个主设备，其它都 是从设备，每个从设备有自己的编号或者访问地址，所有的访问过程都是由主设 备发起的，从设备需要等待主设备访问才可回应，发送主设备所需要的数据。由 于所有的访问都是由唯一的主设备发起的，同时从设备的编号( 或者称为地址) 都是不同的，不存在从设备同时响应的可能，因此主从式总线上不存在冲突的可 能。主从方式的优点是不需要复杂的算法和机制就可以避免总线冲突；缺点是从 设备只能被动地等待主设备查询，缺少对紧急事务的实时响应能力，另外所有的 传输都通过主设备，包括一个从设备到另一个从设备的数据流，因此主设备可能 会成为系统数据流的瓶颈。总线仲裁机制下在系统中加入独立于各个设备的总线 2 第一章引言 仲裁器，系统中各个通信终端设备都是平等的，通信终端要发起数据传输时需要 先向仲裁器申请信道的使用权，在多个终端同时申请的情况下，总线仲裁器根据 特定的算法来决定由谁来使用信道，在所有申请的终端中，得到使用权的终端设 备可以发起数据传输，没有得到的可以继续保持申请信号，总线仲裁器会在当前 传送结束后再次进行仲裁。总线仲裁器机制的优点是各个设备都可以根据需要来 主动发起数据传输，缺点是需要附加总线仲裁器和从各个通信终端到总线仲裁器 的申请、应答信道，增加了硬件开销。还有一种是载波侦听冲突检测机制，这种 机制下每个设备都要监测总线状态，在总线空闲时，每个设备可以根据自己的需 要发起数据传输，发送数据的设备在发送的同时需要接收数据，如果该设备接收 到的数据与发送的数据不一致，那就意味着可能是出现了其它的设备也在发送数 据，即总线上有冲突发生。此时所有发送的设备都应当停止发送，等待一段时间 后重新发送，如果再次发生冲突，则重复上述过程。由于设备每次等待时间是随 机产生的或者是根据某一特定值( 如设备的编号或者地址) 计算得到的，因此可 以保证连续发生冲突的次数是有限的。 还有很多特性可以作为对通信进行分类的依据，如根据信息流的方向分成单 工、半双工和全双工。在实际工作中，研究者可以根据自己的需要选择分类。 1 1 2 并行通信与串行通信的比较 目前串行通信几乎取代了并行通信而广泛应用在各种场合，这与串行通信的 显著优点是分不开的。最重要的就是串行通信速率比并行通信要快得多，举例来 说，目前实用串行通信系统中数据率已经超过了l o g b p s 【8 j ，而并行通信如硬盘的 i d e ( i n t e l ；r a t e dd e v i c ee l e c t r o n i c s ) 接口的宽度为8 位，时钟频率最高只能达到 1 3 3 m h z ，因此数据速率只有约1 g b p s 【9 】。并行通信中可以同时传送几位甚至几十 位数据，而串行通信只能逐位传送数据，为什么并行通信的数据速率反倒比串行 通信的低呢? 这是因为并行通信中时钟信号是单独传送的，那么为了保证接收器 能够采样到正确的数据，各个数据位与时钟信号之间的“偏离”必须要保持在一 定的范围内。对于位数很多的并行通信，在传输距离比较远时，很难满足这样的 条件。就像是田径赛场上1 0 0 米跑比赛的时间大约为1 0 秒，而军人的队列正步走 时速度却只有9 0 米每分钟，甚至在这样的速度下一行之中的军人也很难保证完全 对齐，行列中的人相对理想的“标准位置 都有一个小小的偏离，只不过正步速 度下这个偏离不显著，如果走得速度快了，或者是队伍的列数太多了，这个偏离 就会明显地看出来，甚至造成队伍不成行列。串行通信就像是1 0 0 米短跑比赛， 而并行通信更像军人的行进队列。串行通信摆脱了时钟信号的束缚，它把时钟同 步信息与数据信息组合起来传送，即使传送的信号因为延时等原因而偏离了“标 3 第一章引言 准位置”，时钟同步信息与数据信息之间的相对“偏离”永远是0 ，因此串行通信 可以实现更高的传输速率，更远的传输距离。而且由于信号线数量减少到了最小 值，设计制造传输性能优秀的电缆在技术上更易实现，成本方面也更易被接受； 另外串行通信采用了结构更复杂、性能更优秀的收发器电路。总之，这些因素的 共同作用使得串行通信获得了比并行通信方式高得多的数据传输速率。 d a t a适蔑 c l k 、l j 濠青 串行通信接收器 图1 3 并行通信与串行通信的接收器对比 经济性是串行通信得以迅速发展的重要因素之一。只有一根数据线即可实现 串行通信，而不像并行通信那样需要多条数据线，发送方不用再设置那么多组驱 动器，接收方也不需要那么多组缓冲器，可见串行通信的硬件消耗和经济成本要 低得多。虽然串行通信比并行通信实现起来更经济，数据线数更少，但这绝不意 味着串行通信收发器的电路结构比并行通信收发器的更简单。实际上恰恰相反， 如图1 3 所示，一方面，串行通信的速率高，传输距离长，波形在电缆中畸变得比 较厉害，接收器不得不首先对接收到的数据波形先进行整形，然后再进一步处理， 与并行通信接收器相比，这些处理需要增加一些额外电路；另一方面，串行通信 的发送方需要额外的电路结构把时钟同步信息组合进数据信息中，而接收方也就 必须要考虑如何把时钟同步信息恢复出来，因此串行通信接收器中必须设计一些 额外的电路来恢复同步信息，然后再用恢复出来的时钟采样整形后的数据波形， 最终得到与发送方一致的数据信息；还有，串行通信的数据是以比特流的形式传 递的，接收器需要从中正确划分出字节、包，这需要额外的数字逻辑电路。总之， 串行通信接收器的电路结构比并行通信的要复杂得多。 串行通信收发器电路是一种典型的数模混合电路，其中既有模拟电路，又有 数字电路。如果把一个收发器电路比喻成鸡蛋的话，其中的数字电路就像蛋黄， 处于核心地位，处理各种信息，而模拟电路就像蛋清，它把外界输入的信息转换 成蛋黄需要的格式，另一方面蛋清要根据蛋黄的输出驱动蛋壳外的信号线。数字 电路具有很强的功能灵活性和设计规范性，因此数字电路的功能越来越强大。但 是就像鸡蛋中不可能没有蛋清一样，模拟电路永远是电路中不可或缺的部分。 4 第一章引言 1 1 3先进的串行通信技术 1 1 3 1高速串行通信 高速串行通信是串行通信的发展趋势之一。串行通信的速率一直处于飞速发 展中，以以太网为例，1 9 7 3 年在施乐公司( x e r o x ) 诞生的第一个以太网雏形的速 率只有3 m b p s 【4 l ，此后1 9 8 0 年出现了1 0 m b p s 的以太网，1 9 9 5 年1 0 0 m b p s ，1 9 9 8 年1 g b p s ，2 0 0 2 年1 0 g b p s 【引，数据速率可谓飞速增长。一般地，高速串行通信是 指那些数据速率比较高( 1 0 m b p s 或者更高) 的，如通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，u s b ) 、以太网( e t h e m e t ) ，串行a t a l j ( s e r i a ja d v a n c e dt e c l l l l o l o g ya t t a c h m e n t ， s a t a ) ，更广义上的高速串行通信还包括同步光通信网络( s o n e t ) 。图1 4 所 示是串行通信的数据速率发展趋势【l 。高速串行通信广泛应用于系统间、印制电 路板间和印制板内部的通信。 数据率( b s ) l o g l g 1 0 0 m 1 9 9 62 0 0 02 0 0 4年份 图1 4 串行通信数据率的发展 通用串行总线( u 1 1 i v e r s a ls e 血1b u s ，简称u s b ) 【1 2 j 是一种典型的高速串行通 信方式。u s b 发明于1 9 9 5 年，最初的数据速率只有低速模式的1 5 m b p s 和全速模 式的1 2 m b p s ，当时的主要用途是计算机与外围设备之间的通信，比如计算机与鼠 标，计算机与键盘，计算机与打印机等，由于当时这些外设与主机之间传输的信 息量不大，设计者考虑到这种情况下并不需要更高的通信速率，从经济性和技术 上考虑，都不便设置更高通信速率，因此只规定了1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种速度模 式。但是在随后几年中，尤其是2 0 0 0 年以来，一方面是市场的需求，出现了大量 的视频外设，比如摄像机和数码相机，这些设备需要相当大的传输带宽才能达到 良好的性能，另一方面是技术的成熟，这就是电流逻辑模式( c u r r e n tm o d el o g i c ， c m l ) 的传输，人们已经发现以电压模式逻辑是不可能进行远距离、高速度传输的， 因此在2 0 0 0 年，康柏、惠普等公司联手推出了u s b 2 0 规范，其中第一次提出了 高速模式，数据速率高达4 8 0 m b p s ，完全可以满足视频信号传输的需求。人们在 5 第一章引言 外出旅游时用数码相机拍摄完照片，总希望能当场用打印机打印出来，但是随身 携带计算机的负担太重了，因此传统的u s b 无法满足“即拍即印 的愿望，于是 在2 0 0 3 年u s b 开发者论坛( u s bi m p l e m e n t e r sf o m m ，i n c ) 又推出了u s b 2 o 的补 充协议u s b o t g ( o nt h eg o ) 1 1 3 j ，支持o t g 的两个u s b 设备可以直接连接，比 如数码相机与打印机，不需要计算机作为主设备，免去u s b 设备通信必须经过主 设备的麻烦。表1 1 列出了u s b 规范的发展历程。 表1 1u s b 规范的发展历程 年代规范版本数据速率应用举例 1 9 9 51 o 。1 4 1 1 5 m b p s键盘、鼠标 1 9 9 51 0 【1 4 】 1 2 m b p s打印机 2 0 0 02 o 4 8 0 m b p s数码相机 2 0 0 3o t g 4 8 0 m b p s即拍即印 本文将以高速u s b 2 0 为例来研究高速串行通信。高速u s b 2 o 采用点对点的 拓扑结构，相互连接的两个设备分别为主设备和从设备，一般地，个人计算机是 主设备，而数码相机等作为从设备，在进行数据传输时两者地位不平等，主设备 可以发起数据传输，同时主设备担负着向从设备供电的任务。u s b 连接电缆物理 上由4 条导线组成，其中两条线组成准差分信号线，另有一条为电源线，电压为 5 v ，主设备通过这条线可以向从设备提供最大为5 0 0 l n a 的电源电流，最后一条为 地线，既是主从设备的电位参考，也是数据线的回流线和电源线的回流线。高速 u s b 2 0 支持的数据速率高达4 8 0 m b p s ，传输距离l m 左右，因此完全可以应用于 视频信号传输的场合，也可以用于硬盘等大数据量传输中。 1 1 3 2串行总线的寄生供电 寄生供电技术是一种依托于串行通信总线的技术。在一些应用场合中，通信 主机与从机之间距离比较远，而从机的结构比较简单，功耗不大，并且要分散地 布置多个从机，如房间的温度监测，在一套住房内监测温度时，需要在几个房间 内分别布置多个温度传感器，各个传感器通过加变换器把温度指标变换成数据 信号，再通过通信线路传送到主机中。这个例子中，各个传感器的相互距离比较 远，同时他们的功耗又不大，传感器到主机的距离也比较远，如果在每个传感器 处都单独设置电源，会造成很大的浪费，成本上不划算，因此直接由主机通过通 信数据线提供电源就成为最优的选择。同一根导电线上，既有基带的串行数据信 号传输，又有低电压的电源能量传输，这种附着于串行通信总线上传输低压电源 的技术称为寄生供电技术。 如图1 5 所示，1 w i i 也【巧】是最典型的寄生供电串行通信总线。1 w i r e 是1 9 9 5 年发明的一种寄生供电串行总线，其系统构成非常简单，采用共享式总线结构， 6 第一章引言 如果不计入地线的话，那么总线只由l 根数据电源复用线组成，系统中有1 个主 设备和l 1 2 7 个从设备，其中主设备可以主动发起数据传输，每个从设备都有自 己唯一的编号，主设备通过目标设备的编号来访问。从设备除了监听总线等待主 设备的访问之外还可以主动发出中断请求来提醒主设备：这里有紧急事务需要处 理，请尽快访问。1 w i r e 的最重要的优点就是寄生供电，系统中的主设备有单独 的外接电源线，一些小功耗的从设备不必外接电源线，只需要通过数据线从主设 备处获取电源能量。根据1 w i i 也的协议，1 w i r e 的寄生供电容量为每个从设备 5 肛a ，数据速率为常速下1 6 k b p s ，超速时为1 4 3 k b p s ，传输距离大于3 0 0 m 。这些 特点决定了1 w i l 也的广泛用途，后文将略举数例。 1 w i r e 主机 ( “c ) 图1 5 典型的1 w i r e 总线系统 1 2us b 高速u s b 2 0 已经广泛应用在人们的日常生活中，本节首先介绍高速u s b 2 0 的几种典型应用，然后探讨随着电路设计技术和半导体工艺技术的发展高速 u s b 2 o 的发展趋势。 1 2 1u s b 的应用 1 2 1 1计算机 从1 9 9 8 年开始个人计算机上逐渐出现了u s b 接口，虽然有了u s b 接口，但是 个人计算机依然要支持传统的p s 2 的键盘和鼠标接口，要有2 个串行口，有1 个 并行打印机接口，因为当时极少有支持u s b 接口的设备，最先出现的支持u s b 接口 的设备应当属鼠标了，此后陆续出现了键盘、打印机、扫描仪等u s b 接口的设备。 目前，u s b 2 o 接口已经成为目前个人计算机( p c ) 的必备接口，甚至有些计算机 配备了多达4 8 个u s b 接口。与此相适应的是计算机的外围设备也逐渐统一使用 u s b 口，甚至包括u s b 口的网卡等设备，甚至有人大胆预测，未来的个人计算机的 中小数据量外围设备的接口必将统一为u s b 口，除了需要超大带宽的外设，如显 示器等，其它设备都只需要通过u s b 口就能连接到计算机上【1 6 1 。 7 第一章引言 1 2 1 2打印机 1 9 8 1 年个人计算机( p c ) 刚刚诞生时采用的是并行打印机口( “n ep r i n t e r t e m i n a l ，l p t ，现称为i e e e1 2 8 4 ) 连接打印机，这种端口是专门针对针式打印机 设计的。并行打印机口的优点是数据按字节传送，打印机不需要对数据做转换， 对打印机中处理器的处理能力的要求比较低；其缺点是信号线数量多达2 5 条，容 易出现部分信号线连接不牢靠问题，电缆和连接器的成本很高，信号的传输距离 短，屏蔽良好时也不超过2 米，数据速率很低，不能满足图像和丰富字体的打印 需要。自从u s b 2 o 诞生以来，爱普生等打印机生产商纷纷推出支持u s b 接口的打 印机。u s b 摒弃了并行打印口的种种缺点，其易用，高速、统一正好满足了打印 机的需要，此后u s b 接口逐渐取代了并行口而成为打印机接口的主流。目前市场 上的打印机产品中一小部分支持u s b 和并行打印机接口两用，为了与旧的设备兼 容它们还保留了传统的并行打印机接口，而绝大多数都已经变成了只支持u s b 接 口，因为最近生产的计算机中几乎都不再支持传统并行打印机接口【1 7 j 。 1 2 1 3数码相机 数码相机拍照所得的图像首先会存储在机内的存储卡上，但是图像的各种处 理，比如修改、传送等都需要计算机来完成，因此数码相机一定要有接口与计算 机相连。1 9 9 1 年柯达( k 0 d a k ) 公司首先推出了商品化的数码相机。最初的数码相 机采用了串行口、并行口等各种接口作为连接计算机的接口，但是随着u s b 技术 的兴起而逐渐转向了统一的u s b 接口。 u s b 作为数码相机与计算机的接口非常合适，但是也有当初意料之外的问题， 那就是数码相机要想打印相片，就只能连接到计算机上，然后通过计算机的操作 再打印出来，不方便旅游外出时操作，如果数码相机能够直接与打印机相连接， 直接打印相片，那将会方便得多。2 0 0 2 年，有关组织推出了u s b 2 o 的补充协议， 即u s b o t g 【1 2 】，在新的协议中两个设备之间可以直接交换数据而无须经过主机， 因此数码相机可以直接与打印机相连接，实现“即拍即印”的功能。o t g 补充协 议无异于给u s b 注入了新的活力，使得u s b 对数码相机支持得更完善了，目前几乎 所有新的数码相机都支持u s b o t g ，成为吸引消费者的一大亮点。 1 2 1 4数码摄像机 数码摄像机要传送的是视频信号，其对通信的实时性要求和带宽的要求都很 高，因此与数码相机相比其对通信速率的需求要高得多。正因为如此，1 9 9 5 年数 码摄像机发明之后的一段时间，它并没有采用u s b 接口来连接计算机，而是另外 设计了专用的高速串行接口“火线( f hw i r e ) ”，即i e e e1 3 9 4 总线【1 8 j 。由于在 8 第一章引言 计算机上很少配备i e e e13 9 4 接口，人们还不得不另外设计了i e e e13 9 4 转接卡作 为计算机内部的p c i 总线和i e e e1 3 9 4 总线之间的桥梁，给用户增添了很多不便： 加之计算机内不一定就恰好有空闲的p c i 插槽供转接卡使用，更重要的是数据倒换 处理过程增加了误码率和延时，损害了影象文件的记录效果。 u s b 简单易用，具有众多优点，却仅仅因为通信速率过低而不能应用于视频 信号的传输。于是2 0 0 0 年2 0 版的u s b 协议应运而生，其中首次规定了高速模式， 速率提升到了4 8 0 m b p s ，一举超过了i e e e l 3 9 4 的4 0 0 m b p s ，完全可以满足视频信 号传输的需要。2 0 0 4 年c 公司首先生产出了支持高速u s b 2 o 接口的数码摄像机 【1 9 1 ，如今越来越多的数码摄像机提供了u s b 2 0 接口。 1 2 2高速u s b 收发器的发展趋势 自2 0 0 0 年问世以来，高速u s b 2 0 收发器的电路设计一直处于不断进步之中。 未来高速u s b 2 0 收发器的发展趋势由来自两个方面的推动力决定，首先是电路设 计技术的发展。自从2 0 0 0 年u s b 2 o 规范公布以来，高速u s b 收发电路立即引起了 研究人员的兴趣，在2 0 0 1 年的时候已经有研究人员实现了高速u s b 收发器芯片， 最初实现的是锁相环结构【2 0 1 ，此后出现了过采样结构等多种结构的电路【2 1 1 。还有 一种比较重要的结构改进就是采用半速时钟结构和多相时钟采样，这种结构可以 在较落后工艺下实现更高的传输速率，能有效降低接收器的本地时钟频率，突破 了半导体工艺对数据通信速率的制约，并且降低了电路的功耗。目前接收器的系 统结构方面很少有大的改动，整体结构只有有限的数种，后文还将详细分析。但 是具体的电路单元结构上的改进还是不断进行中，并且会随着工艺的发展而出现 一些新的电路单元结构。 其次是半导体工艺技术的发展，传统上高速串行接收器和发送器一般采用双 极工艺、砷化镓工艺或者锗硅异质结工艺实现【2 2 】【2 3 1 ，这些工艺的优势是具有更高 的特征频率，因此电路可以达到更高的工作频率。除去相对较低的截止频率，c m o s 工艺在可利用性、系统集成、成本和功耗上都有更大的优势。c m o s 工艺的广泛使 用，也使得c m o s 工艺相对于其它工艺发展更快。特性线宽的不断减小，使c m o s 器件的工作频率越来越高，从而也使c m o s 技术能够应用在高速串行通信收发器 中。近些年集成电路制造工艺取得了飞速的发展，目前主流的c m o s 工艺的特征尺 寸只有0 1 8 岬，而0 1 3 岬以及更小尺寸的工艺也正在成熟中。工艺的迅猛发展带 来了集成度的快速增加，这使得片上系统( s y s t e mo nc l l i p ，s o c ) 成为当前芯片 设计的发展趋势之一。片上系统中既有数字电路也有模拟电路，比如单片数码相 机系统中，图像处理部分是数字电路，连接个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 或者打印机的u s b 接口则是模拟电路。近些年发表的文献资料表明，目前高速u s b 9 第一章引言 已成为个人计算机及外围设备必备的通信接口，在片上系统设计中也被广泛采用， 已经有很多研究者在研究u s b 在片上系统中的电路设计与应用【2 1 1 ，并有逐渐成为 研究者的研究热点和重点的趋势。 半导体工艺的发展带来了晶体管参数的变化，这使得s o c 中的模拟电路设计 面临着巨大挑战，比如传统的带隙基准电路的输出电压为1 2 v 左右【2 4 1 ，而0 1 3 岬 c m o s 工艺的电路电源电压也只有1 2 v ，电路显然无法工作。其它一些传统结构 的基本电路单元也面临着类似的困难。因此研究适应半导体工艺发展的电路结构 成为数字模拟混合电路设计中的一项重要课题。 1 31 w i r e 自1 9 9 5 年寄生供电串行总线1 w i r e 的协议公布以来，经过1 0 余年的迅速发 展，1 w i l 迮已经广泛应用在人们的日常生活中。大多数应用中1 w i r e 是作为专 业用途的通信总线，一直应用于外观漂亮的家用电器的机壳内，默默地工作，而 不像以太网、电话网那样与人们的日常生活直接相关而为人所熟知。实际上， 1 w i i 也的应用与人们的生活也是密切相关的。本节首先介绍1 w i r e 的几个典型 应用，然后探讨1 w i r e 目前面临的机遇与挑战。 1 3 11 w i r e 的应用 1 3 1 1自动气象站 气象站记录自然条件下的大气温度、湿度、压力、风速、风向等天气信息。 为了避免人为因素和周围环境因素对记录指标的影响，保证记录的数据是确切的 自然条件下的数据，通常气象站要建在空旷的郊外田野中，而且气象站的机器设 备用房要远离检测点。 风向传感器 。一 温度传感器 却嚣一 鬻。泰忑 ，大气压力传感器、y 、 广- 湿度传感器 l 一 1 w i r e 电缆l 姻 图1 6 基于1 w i i 也的自动气象站 为了实现气象信息的自动记录，需要在检测点和设备机房之间敷设很长的一 段通信电缆，一般约为数十米到上百米的距离。1 w i i 也提供了长达3 0 0 m 的有效通 l o 第一章引言 信距离，凶此非常适合在自动气象站中应用。以太网的通信距离也可以达孚0 上百 米，比如1 0 0 b a s e t x 的通信距离约为2 0 0 m ，但是其所用的血类网线比1 w i r e 的r 也缆在成本t 要昂贵得多，并且以太网供ll l 技术( p o w e ro ne t h e m e t ，p o e ) 需 要设置复杂的电源数据隔离器件，设备成本比1 w i r e 的也要昂贵得多。可见， 1 w i r e 是自动气象站通信总线的最佳选择。m a x i md a l l a s 公司已经j 1 ：始大量生产 基于1 w i r e 的自动气象站芯片1 25 l 。图1 6 足一种典型的基于l w i r e 总线的自动 产象站系统的示意图。 1 3 1 2接触式识别 识别( i d e n t i n c a t i o n ) 是指通过技术手段对事先存储的物品的相关信，自、进行读 取，以达到分辨和区别不同物品的目的。接触式识别( t o u c h a b l ei d e n t i n c a t i o n ) 是 指识别设备必须要与被识别物品接触才能读取识别信息，如条形码识别，它是相 对于非接触式识别而言的，所谓的非接触式识别是指像射频识别( r f i d ) 那样与 被识别物体隔着很远一段距离就可以识别物品信息的方法。 目前在物品识别方面，比如超级市场中销售商品时的识别技术主要采用基r - 传统印刷技术的条形码系统。收银员用p o s 终端的光笔录入物品的条形码，计算 机到内部的商晶信息库中搜索物品的价格，p o s 得到价格后再累加，完成买卖过 程。条形码曾被誉为商品零售业的革命，它把售货员从繁重的手t 计费中解放出 来，提高了效率，避免了人工误差。随着时代的发展，一方面条形码系统的缺点 越来越明显，另一方面，射频物品识别技术的应用受到其自身特性的巨火限制， 因此1 w i r e 有望在物品识别领域大展身手。 图1 7 信息纽扣与探头 数据 电源线 如图1 7 所示，信息纽扣( i b u n o n ) 【1 5 1 是一种基于1 w i r e 的识别技术的信息 载体，其大小如1 角硬币，“u ”形的金属外壳接地，而f 面中心的金属电极就 是1 w i r e 的数据电源线，可以方便地使用相应的读写探头与其连接。信息纽扣内 部是可达数千字节的非易失存储器，可以存储大量的信息【26 j ；信息纽扣提供了标 准的1 w i r e 接口，继承了1 一w i r e 的读写简单方便的优点。 印刷条形码包含的信息量太小，仅可包含物品的分类，无法识别单件商品， 1 1 第一章引言 更不必说单件商品的生产日期，保质期，生产批次等信息，这就导致超市经营者 不能简单方便地掌握这些与产品质量密切相关的信息