（电路与系统专业论文）035μm+cmos工艺低电压高速1：4分接器.pdf

摘要 为了满足人们对通信服务种类和质量日益增长的需求，同步数字系统( s d h ) 应运而生并不断 发展，光纤通信由于其自身的优势已经成为信息社会的重要组成部分。 分接器在光纤传输系统中处于光接收机的末端，将光纤传输中串行高速信号还原为并行的多路 低速信号，是光纤传输接口链路的关键电路之一。 随着c m o s 工艺的发展，最小栅长不断减小，特征频率也随之不断提高，加上c m o s 工艺代工 资源丰富，成本较低，因此，采用深亚微米c m o $ 工艺实现高速高性能芯片已成为国内外研究的热 点。 由于便携式电子系统的日益完善和功耗限制在高密度高性能芯片中的需求日益增加，低功耗设 计成为电路设计考虑的一个重要因素，并且减少功耗对提高芯片的可靠性更是至关重要。由于减小 电源电压是减小功耗最直观的手段，因此，基于c m o s 工艺实现低电源电压的分接器设计具有重大 的意义。 目前国内已设计出的0 3 5 “m 、o 2 5 p m c m o s 工艺下s t m l 6 级的分接器，其电源电压一般都为 3 3 v 或2 5 v ，国外以0 3 5 p m c m o s 工艺实现的该速率级的分接器采用的电源电压最低为2 v 。而随 着电源电压的降低，电路工作的动态范围减小，电路性能将会退化，这对电路结构以及参数的选择 都提出了很高的要求。因此能否在低电压下实现高速率的分接器极具挑战。 本文采用c s m0 3 5 “mc m o s 工艺，设计了电源电压为1 5 v ，速率为2 5 g b s 的1 ：4 分接器。 分接器采用树型结构，由一个高速1 ：2 分接器和两个低速1 ：2 分接器级联而成。考虑到低电源电压及 高速率的要求整个电路实现的基本单元为共栅动态负载锁存器。测试结果表明电路可工作在 2 5 g b s 数据速率，电源电压为1 5 v ，整体电路功耗约为1 0 2 r o w 。芯片面积为0 6 7 5 x 0 6 7 5 m m 2 。 关键宇：分接器；低电压；c m o s ；动态负载 a b s t r a c t t of u l f i l lt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so ft h ek i n d sa n dq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，s d hw a g i n v i t e da n di th a sb e e nk e p td e v e l o p i n g o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h eb a c k b o n eo fi n f o r m a t i o n s o c i e t yf o ri t sm e r i t s d e m u l t i p l e x e r ( d e m u x ) i sak e yc i r c u i t a tt h ee n do ft h eo p t i c a lr e c e i v e ri naw h o l eo p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m i td e c o m p o 瞄ab i g h - s p e e dd a ms t r e a mt os e v e r a lp a r a l l e ll o w - s p e l ld a ms t r e a n l 8 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o sp r o c e s s ，t h em j n i i n md i m e n s i o no fm o sg a t ed e c r e a s eg r a d u a l l y , w h i c hl e n d st 0h i g h e rc h a r a c t e r i s t i cf i e q u e n c y n o wm a n yf o u n d r i e ss u p p l y i n gs u c ht h n o l o g ya r e e s t a b l i s h e d w i t ht h ep r o m i n e n ta d v a n t a g e so fl o w 文a n dh i g hs t a b i l i t y & o ps u b m i c r o nc m o s t e c h n o l o g ya r el l l o r ea n dm o l ep o p u l a ri nh i g hs p l * dh i g hp e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dc i r c u i t sr e s e a r c h t h ed e s i r ef o rl o wp o w e rs y s t e ma n dp o r t a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tg e n e r a t e dan e e df o r r e s e a r c h i n gl o wv o l t a g ec i r c u i t s ；l o wp o w e rd e s i g na l s oe n h a n c e dt h ec h i ps t a b i l i t ya n dr e d u c e dh e a t d i s s i p l a t i o n t h u sd e s i g no fh i g hs p e e dd e m u xi nl o ws u p p l yv o l t a g eb a s e do nc m o sp r o c e s sm a k e s g r e a ts t s e i nt h em o s tm t e m a ld e s i g n , t h ep o w e r v o l t a g ei s3 3 va ts t m l 6 l e v e li no 3 5 p mo r0 ，2 5 p r oc m o s p r o c e s s t h el o w e s tv o l t a g ea tt h i ss p dl e v e li s2 vb yn o w h o w e v e r ，w i t l lt h ed e c 咖eo ft h es u p p l y v o l t a g e t h ed y n a m i cr a n g eo ft h ec i r c u i t 代d u c 嚣a n dt h ep e r f o r m a n c ed e g r a d e s t h e s er a i s e dah i g h e r r e q u i r e m e n ti ns e l e c t i n gs l l u e r i r ea n dp a r a m e t e r sf o rt h ec i r c u i t i ti n a k e sac h a l l e n g et od e s i g na l o w v o l t a g ea n dh i g h s p e e dd e m u l d p l e x e r a1 5 v2 5 g b s1 ：4d e m u x w i t h 拄e e q ，p es l r u c t u l - ei c s mo 3 5 p mc m o sp r o c e s si sp r e s e n t e d i t i sm a d eo f ah i 9 1 1 - s p e e d1 ：2d e m u xa n dt w op a r a l l e ll o w - s p e e dd e m u x c o n s i d e r a t i o nt h eu n i f i c a t i o no f l o wv o l t a g ea n dh i g hs p e e d , ae o m m o ng a t ed y n a m i cl o a d i n gl a t c hi se m p l o y e d i t sb a s i cc e l l s i m u l a t i o n a n dt e s t i n gr e s u l ts h o w st h ew o r k i n gr a t e nb e2 5 g b so n1 5 vs u p p l y , w i t hat o t a lp o w e rc o n s u m p t i o no f a b o u t1 0 2 m w t h ec h i ps i z ei s0 6 7 5 x 0 6 7 5 一 k e yw o r d s ：d e m u l t i p l e x e r ；l o wv o l t a g e ；c m o s ；d y n a m i c - l o a d i n g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 璋受 日 期：泌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：里牟垒导师签名：乙叁整 日期： o ) ；堵 第1 章绪论 1 1 光纤传输系统 第1 章绪论 信息在人们认识世界和改造世界的过程中起着极其重要的作用。信息的获取、处理、表示、存 储、传输和利用组成了人类生活的基本活动之一，其中，信息的传输即通信，更是人类基本需求之 一。随着互联网业务和通信业的飞速发屐。信息化极大的推动着世界人类社会的发展。信息量的急 剧增加，使传统的通信技术显得力不从心。当下最具有吸引力的当然是光纤通信技术。随着一系列 光电及电光元件的发明，光纤数字通信技术飞速发展，光纤通信被广泛的应用于信息化的发展。成 为缝徽电子技术之后信息领域中的重要技术。 光纤传输与其他通信方式相比，具有以下优势：1 1 悯 1 光纤频带宽，通信容量大。现行电缆通信工作频率为1 0 5 1 0 s h z ；微波通信工作频率在1 0 9 f - i z 左右；光纤通信的现行工作频率( 光波频载) 在1 0 。q - i z 左右。光纤通信的带宽与通信容量远大 于其他通信方式，能满足现在以及将来数据传输、视频传输对带宽的需求。有足够的带宽支持 数据及视频的传输，这是光纤最大的优势。 2 光纤损耗低，中继距离长，适合长距离传输。对于目前广泛使用的光纤，工作波长在0 8 5 1 5 5 p m 之同，低损耗窗口损耗可减至o 2 d b k m ，工作带宽可达1 0 0 g h z 以上，无中继传输距离达1 0 0 k i n 以上：而对于同轴电缆通信，在1 0 0 m h z 工作时最佳损耗值高达7 5 d b ，k m ，无中继距离仅在5 k m 左右。光纤的这种特性使包括海底光缆、主干光缆，通过中继以后可以传输上千公里，这对于 整个通讯来说是非常有利的。 3 光纤间串扰小，保密性好。在传输过程中，信息传输的稳定性、可靠性非常重要。目前为止还 没有发现能窃听光缆中所传输光信息的手段，光纤特别适合用于军事保密通信以及国家安全机 要部门的内部通信和重要经济信息的保密传输。通过光的传输，对于传递信息的稳定性很好， 所以传得很远。 4 光纤绝缘，抗干扰能力强。通过光信号传输，对于各种电磁干扰的屏蔽效果使其基本上不会受 到外界电磁干扰的影响。特别适合用于铁路、电力、厂矿等电磁干扰严重的环境；适合电子计 算机联网，电视传输，以及飞机、舰艇、导弹等要求防电磁干扰的通信、传输、控制系统。所 以，这个与铜缆比较起来就具有很大的优势。 5 光纤的体积小、重量轻。便于铺设。特别适用于飞机、汽车、舰艇等通信控制系统。 6 光纤抗腐蚀、抗酸碱，可直接埋在地下，特别适合化工企业的内部及其他恶劣环境的通信 7 制作光纤的原材料丰富。石英光纤的主要成分是二氧化硅( s i 0 2 ) ，该材料在地球上及其丰富。 随着丁艺的进步光导纤维的造价不断下降，光纤将得到越来越广泛的应用。 由于光纤通信上述的诸多优点，光纤通信技术在近几年发展迅速，并将在未来的信息传输与交 换网中起举足轻重的作用。 1 东南大学硕士学位论文 目前，基于光纤传输网络的高速数字传输标准同步数字体系( s d h ) 和同步光网络( s o n e t ) 已在全世界范围内广泛的建设和应用。其中，数据速率为2 5 g b s ，1 0 g b s 的系统开始广泛应用，随 着各种多媒体业务的发展，光纤通信会得到更迅猛的发展。 光纤传输系统的基本结构框图p 】如图1 1 所示，主要由光发射机、光纤信道和光接收机组成。光 发射机中，多路低速数据在时钟信号的作用下复接成一路高速信号，激光驱动器( l d 驱动器) 驱 动激光二极管( l d ：l a s l d i o d e ) 将电信号转换为光信号后通过光纤传输。光信号通过由光纤和中 继器构成的光纤信道，传输到光接收机。在接收机中，光信号首先通过一个光检测器( p d ：p h o t o n d i o d e ) 转变为微弱的电信号，然后由前置放大器和主放大器( 限幅放大器) 放大，再由时钟恢复电 路和数据判决电路分别从中恢复出时钟信号和数据信号。最后分接器把接收和处理过的高速信号还 原成原始的低速数据信号。其中，在接收机末端的分接器就是本文所研究的课题。 发射机接收机 图1 1 光纤传输系统基本结构框图 1 2 分接器集成电路工艺选择 由于本次设计的分接器工作速率在g b s 以上，在过去几十年时间内，如此高速率的集成电路大 多采用双极性硅或1 1 1 v 族工艺实现。在2 5 g b s 速率级别以上的商用分接器集成电路大多采用 b i c m o s 、双极性硅和砷化镓工艺实现。 一 但是，v 族工艺( 如g a a s ) 和双极性硅等工艺虽然能够实现超高速的集成电路，但相对于 c m o s 工艺而言它有不可克服的缺点：功耗大、不能火规模集成。从实际服务的角度来看，一股的 集成电路设计单位很难获得v 族工艺和双极性硅等工艺的加工服务，即使有，价格也相当昂贵。 b i c m o s 综合了双极性硅的高速和c m o s 的可集成度高这两方面的优点，但是从实际工程角度 来看，它有三大缺点：功耗大，工艺同样难以获得，其中的c m o s ：= 艺总是落后于标准c m o s 工艺 的发展进程，有时很难满足设计要求。 实际上，对于数字集成电路，采用c m o s 工艺最为理想。这是因为： 1 c m o s 工艺容易获得。国内外有多家半导体工艺厂商提供代工服貉或多项目晶圆服务，为基于 c m o s 工艺设计的集成电路制造提供了方便。 2 c m o s 工艺的流片成本比其他工艺低。 3 ，c m o s 电路功耗小，集成度高。众所周知，功能复杂的数字电路，其电路规模一般都比较大， 而在集成度方面，c m o s 有着其他工艺无法比拟的优点。 2 第1 章绪论 一般认为c m o s 工艺在速度方面不及g a a s 、双极性硅等工艺，但随着c m o s 工艺不断进步， 特征尺寸减小，利用c m o s 深距微米工艺，已可以实现g b s 级别的集成电路。很明显，若能利用 c m o s 替代b i c m o s 、双极性硅、砷化镓等昂贵的工艺，设计出超高速的分接器集成电路，将有很 大的意义。 综合考虑苍片速率、设计要求、芯片面积、流片途径及设计成本等各项因素。决定采用c s m 的 0 3 5 p mc m o s 工艺实现本次设计的高速分接嚣。 1 3 设计流程 本文设计分接器属于高速数字电路。高速数字电路与一般大规模数字集成电路( v l s i ) 相比， 在设计方法上有较大的差别。大规模数字集成电路的设计依赖已有的单元库，用硬件描述语言进行 仿真，通过特殊的软件进行综合。但高速数字电路的设计要求所有的单元全定制。采用层次化可以 降低设计的复杂度，提高设计效率。本设计采用自底向上的设计流程，如图1 2 所示。 图1 2 分接器设计流程 首先进行系统分析，确定各种指标如工作速率、动态范围、输出摆幅、电源电压等。然后根据 系统性能选择电路结构及实现工艺。接下去设计系统中的各个单元模块并利用s p i c e 进行仿真，不 断优化性能。当仿真结果满足系统要求后，进行版图设计：单元电路和整体电路版图设计完成后， 提取版图寄生参数进行后仿真，如果不满足系统要求，则要修改电路或版闰重新设计和仿真，直到 后仿真结果满足系统性能要求。在版图的验证和后仿真都完成以后，将设计数据传送给代工厂进行 流片，得到制作好的芯片后进行性能测试来确定这次设计是否成功。本次设计完成了整个设计流 程。 1 4 论文工作内容简介 本论文的工作是采用c s mo 3 5 p r oc m o s 工艺设计用于同步数字体系的l ：4 分接器，该分接器 设计要求是将一路2 5 g b s 的高速数据信号分接成四路6 2 5 m b s 的低速数据信号 本次设计的难点是采用低电压实现高速电路。目前国内已设计出的s t m l 6 级的分接器一般采用 3 东南大学硕士学位论文 o 2 卸m c m o s 、0 3 5 p m c m o s 工艺实现，其电源电压常为3 3 v 或2 5 v 。而国外以o 3 5 p m c m o s 工 艺实现的该速率级的分接器采用的电源电压最低为2 v f 4 1 。一般来说。一个电路若能正常工作，常要 求p 0 至少等于矿n i + i 巧d ，该工艺阈值电压的典型值为1 f ：0 8 4 v ，v r = o 6 v ，而本次设计的分接器 采用的电源电压为1 5 v ，因此，能否在该工艺下实现高速分接功能是对设计者的一个挑战。 4 第2 章信道复用 第2 章信道复用 众所周知，通信孵主要由三个部分组成：用户终端设备；传输系统；交换系统。随着用户对终 端设备通信要求的不断增加，传输系统必须提高传输速度和传输质量。提高信道的容量是提高传输 系统容量的有效途径，光纤因其频带宽，通信容量大的优点得到了广泛应用。但由于系统或电路的 限制，传输媒质的带宽没有得到充分利用。要解决这个问题，就需要引入复接( m u l t i p l e x ) 技术。 分接( d c m u l t i t ，l e x ) 技术是复接的逆过程有复接则必然有分接。通常复接用在传输系统的发 送端，而分接则是在对应的接收端。分接的任务是把接收到的大容量信号一步一步分接还原成用户 实际需要的低速的原始数据信号。实际上，如果在通信干线中传输的高速大容量的信号不经过还原， 用户的数据终端将无法对其进行处理，信息对用户来说毫无作用。 2 1 通信系统中的复用 在数据通信中，复用技术的使用极大地提高了信道的传输效率。常见的信道复用技术有：频分 复用( f d m ) 、时分复用( t d m ) 和光纤通信系统中专用的波分复用( w d m ) 。实际应用中频分复 用用于模拟传输系统，而时分复用被广泛应用于数字传输系统中。在这里我们主要讨论与本文相关 的时分复用，对其他方式只做简单的介绍。 2 1 1 频分复用5 】 频分复用( f d m ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是将用于传输信遵的总带宽划分成若干个子频 带( 或称子信道) ，每一个子信道传输1 路信号。 复用的每路信号首先通过带通滤波器滤除带外噪声，限制各路信号的最高频率矗和最低频率五， 确定各路信号的带宽。然后各路信号通过各自的调制器调制到指定的频率。为了保证各子信道中所 传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，留有一定的防护频带石，因此频分复用要求 总频率宽度大于各个子信道频率之和。 经过调制后的各路信号，在频率位置上彼此分开，台路器将他们合并成适合信道内传输的复用 信号。在系统的接收端，可以利用相应的带通滤波器来区分各路信号的频率。然后通过各路的相干 解调器便可恢复出各路的调制信号。 频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑 传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用的主要缺点是设备复杂，另一个缺 点是因滤波器特性不够理想和信道内存在的非线性而产生路闻干扰 5 东南大学硕士学位论文 2 1 2 波分复用6 】 光波分复用( w d m ，w a v ed i v i s i o nm u l t i p s e x i n g ) 技术是将多个波长不同的光信号在同一根光 纤上传输的技术。在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路的同根光纤 中进行传输，在接收端将包含多种波长的光信号分开( 解复用) 并作进一步处理，恢复出的原信号 送入不同的终端。 在一根光纤上传输多个波长光信号的基础是光纤具有足够的带宽资源。目前单膜光纤适合的工 作区有两个，即1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 a m 波长段两个低损耗区域。其中，1 3 1 0 n m 波长段的低损耗区大约 从1 2 6 0 1 3 6 0 h m ，共1 0 0 h m 。1 5 5 0 n m 波长段的低损耗区从1 4 8 0 1 5 8 0 n m ，共1 0 0 a m ，因此两个波 长段一共约有2 0 0 n m 低损耗区可用，相当于3 0 0 0 0 g h z 的频带宽度。 目前实际光纤通信系统中由于光纤色散和调制速率的限制，其通信速率被限制在1 0 g b s 或以下， 所以单膜光纤尚有绝大部分的带宽资源有待开发。 w d m 技术对网络的扩容升级、发展业务、充分发掘光纤带宽的潜力、实现高速通信等具有十 分重要的意义。尤其是应用掺铒光纤放大器( e d f a ) 的w d m 系统更是对现代通信网络具有十分 强大的吸引力。 2 1 3 时分复用 时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时 间片( 简称时隙) ，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行 数据传输。其特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙 分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的 信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。时分复 用技术与频分复用技术一样，有着非常广泛的应用。电话就是其中最经典的例子，此外时分复用技 术在光电也同样取得了广泛地应用，如s d h ，a t m ，i p 和h f c 网络中c m 与c m t s 的通信都利用 了时分复用的技术。 时分复用可以有很多种方式，从总体上可以分为“透明”和“非透明”两类啊嘲。 “透明”的复用在发送端依次将n 路速率相同、相位一致的低速数据合成为一路n 倍速率的数 据流。接收端的分接电路( 分接器) 在与发送端频率相同的时钟信号控制下，将高速数据直接分接 成原来的n 路低速数据。 “透明”的时分复用系统原理框图如闰2 1 。发射端蜀、岛蹄均为速率相同、相位一致的数 字信号：发射端k 。和接收端k 2 均为概念上的电子转换开关。k l 在时钟信号的控制下以高速切换， 可以得到一路高速的包含各路信号的数据流。接收端k 2 在时钟信号的控制下以与k l 同样的速率切 换，从高速数据流中恢复出原来的数字信号蜀。，岛曲。 6 第2 章信道复用 图2 1 时分复用系统原理框图 有两种常用的“透明”的时分复用方式。 一种是按比特复用方式。这种方式每个周期依次在每一路低速数据流中取出一个比特，将n 路 的n 个比特以n 倍速率依次送入高速通道。高速和低速数据流的组成如图2 2 所示。在接收端只要 将数据流按比特依次送入n 路低速通道即可还原n 路低速信号。 ：= = = = ：二：二巫 低遗j 茬磊二看二比特 blb 2b 3 - ：s ? 二- i ：；： 毫速数据泣的。十比特 ：二 图2 2 按比特复用数据流构成图 另一种是按字节复用方式。这种方式每个周期依次在每一路低速数据流中取出一个字节，将n 路的n 个字节以n 倍速依次送入高速通道。数据流的组成与按比特复用方式类似，仅以一个字节代 替了上图中的一个比特。接收端在进行分接前首先要通过特征码辨别一个字节的起始位置，而后只 要将数据流按字节依次送入n 路低速通道即可还原n 路低速信号。 “非透明”复用在功能和结构上都比“透明”复用复杂的多。在发送端将各路低速数据信号按 照某种协议“打包”成一路高速数据信号。各路低速数据信号的速率、相位都可以不同。在接收端， 需要采用许多复杂的技术按照协议“辨别”出信号的属性。然后将这些数据“整理”成原来的几路 速率、相位都不同的数据流。s d h 系统中的s t m 1 数据流就是通过“非透明”复用方式形成的。 “非透明”的复接器，它将来自于不同信源的不同速率的信号按照有关规定或协议合成在一起 传输币i 处理，是整个通信网实现信号传输的关键电路之一其特点在于能实现复杂的复接功能，电 路规模较大，工作速率一般低于1 g b s 。 “透明”的复接器的主要功能是将比特率相同的几路低速数字信号合成为一路高速数字信号， 然后送至信道传输。其价值在于，提高了信道传输容量，将本来用多条信道传输的信号放在一条信 道上传输，大大减小了铺设信道的成本，同时提高了传输容量。这种复接器火多用于传输系统与信 道的接口部分，电路规模不大，其特点在于高速。目前的通信系统中，这种复接器一般用于光纤传 输接口，速率较高，可达数g b s 本文所研究的分接器正是用来分接来自光纤传输系统接收端所接 收到的被“透明”复接了的高速数字系统，设计的1 ：4 分接器按比特分接方式工作，属于“透明” 7 东南大学硕士学位论文 分接器。 2 2 同步数字体系( s d h ) 9 1 任何一种有效的通信都必须建立完备的通信标准和协议，光纤通信也不例外，具有代表性的标 准和协议包括数字电话复接准同步数字体系p d h 、光纤数字分布接口f d d i 、b - i s d n 、同步数字体 系s d h 等。 其中，s d h 是在美国同步光纤网s o n e t 接口标准的基础上发展起来，由c c i t t ( 即现在的国 际电信联盟盯u - t ) 确立为适合光纤、微波和卫星通信系统同步传输的世界统一标准。它规定了比 特率的分级、信号标准格式、复用方式及网络节点接口参数等，到目前为止，已通过了一系列建议， 形成了一整套商标准化的技术规范，为研制开发、规范设计和施工维护等工作提供了必要的技术依 据。s d h 已成为多种高速数字网络包括p d h 、f d d i 、a t m 等进入光纤传输主通道的平台技术。 2 2 1s d h 技术特点 s d h 的提出和应用是从网络的高度灵活性和规范化出发的，归纳起来，光同步传输网的主要特 点是同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力。具体来说，主要如下： 1 ) 使2 4 路制和3 0 路制两种p d h 数字系列在s t m 等级上实现了统一，使之成为数字传输体制的 世界标准。 2 ) 由于采用了同步复j = ；j 和复用映射方法，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律 的，而净负荷与网络同步。因此可以方便地从高速信号中一次分出低速支路信号，省去p d h 中 全套背靠背的数字复用去复用设备即相应的多次码速调整与变换，这不仅使上下业务变得非 常容易，而且便于业务的管理及改善网络业务的透明度。 3 ) 帧结构中含有丰富的比特开销，使网络的运行、管理和维护能力大大加强，而且便于部分网 络管理能力分配到网络单元。实现分布式管理及实现可靠的自愈环网结构。 4 ) 确定了世界统一的光纤网络接口，可以在光路上实现横向兼容，便于网络的组织和调度，节约 网络投资成本。 5 ) s d h 网具有信息净负荷和定时的透明性。 6 ) s d h 网具有后向和前向兼容性。它与传统p d h 网完全兼容。另外它还能容纳其他业务信号，如 b - i s d n 中的a t m 信元、高速局域网的光纤分布式数据接口( f d d i ) 信号和分布排队双总线 ( d q d b ) 信号等。 2 2 2s d h 传输速率 实现s d h 网的关键是规定一个统一的网络节点接口( n n i ) ，而实现统一的n n i 的首要任务是 接口速率等级和数据传送格式的安排。因此，在s d h 传输网中，信息结构采用标准化的模块信号， 8 第2 章信道复用 即同步传输模块s t m - n ( n = 1 、4 、1 6 的等) ，其中n = l 是基本的标准模块信号，其速率为1 5 5 5 2 m b s ， 更高级的s t m - n 信号是将基本模块信号s t m l 按同步复用，经字节间插后的结果与s t m 1 的速 率成整数倍关系。为了便于比较，同时列出美国国家标准所规定的同步光网络( s o n e t ) 的标称速 率。由表2 1 ，可以看出s o n 耵的高次群信号速率均与同步数字信号s t s 1 的速率成接数倍关系， 可以实现葡步复用。考虑到微波和卫星通信波道帮宽较窄的特点，r i u 无线电委员会( 1 t u - r ) 的前 身c c i r 决定也可使用5 1 8 4 m b s 的速率，称为s u bs t m 一1 。 表2 1s d h s o n e t 的标准比特率 s d hs o n e t 等级速率( m b s )等级速率( m b s ) s u bs n 订15 1 8 4 0s t s 1 5 1 8 4 0 s t m 11 5 5 5 2 0s t s 31 5 5 5 2 0 s t s 9 4 6 6 5 6 0 s t m 46 2 2 0 8 0 s t s 1 2 6 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 1 2 0 s t s 2 4 1 2 4 4 1 6 0 s t s - 3 61 8 6 6 2 4 0 s t m 1 62 4 8 8 3 2 0s t s 4 82 4 8 8 3 2 0 s t s 9 64 9 7 6 6 4 0 s n 俐9 9 5 3 2 8 0s t s 一1 9 29 9 5 3 2 8 0 本次设计采用的是s d hs t m 1 6 的速率标准。 2 3 分接器的基本结构 本文的目的是设计一个“透明”的高速分接器。透明”分接器一般采用三种基本结构：串行 结构，并行结构和树型结构【10 】f “) 。这三种结构分别具有各自的优势和不足，在有些情况下我们需 要采用由这三种结构组合而成的混合结构。对于分接器而言，输入端是它的高速端，在分接器的设 计中，高速端始终是设计的难点和重点，因此我们在后面的分析中将从分接器的高速端性能出发， 来确定各种结构使用的情况。下面以l ：4 分接器为例，分别介绍三种结构的工作原理及其特点。 2 3 1 串行分接器 图2 3 ( a ) 是l ：4 串行分接器的结构图，d 0 是输入信号，c k 是输入数据的同步时钟，c k 4 是 由c k 四分频得到的时钟，d 。- d 4 是四路输出数据。1 ：4 串行分接器实际上是一个串并转换电路，与 c k 相连的四个主从触发器d f f 构成四位移位寄存器，由时钟c k 将高速数据流中的四路数据分别 存储在四位移位寄存器中，然后在c k 4 的作用下。四个寄存器将四路数据同步并行输出，完成1 ：4 分接功能。 9 东南大学硕士学位论文 1 。 。t 。1 “。一 一一j 旷一1 丁一 一一j ( a )( b ) 图2 31 ：4 串行分接器 对于如图2 3 ( a ) 所示的分接器，需要两个时钟信号：一个c k ，它的频率等于输入数据的比 特率；另一个是c k 4 ，它等于该比特率的1 4 。一般来说，c k 由系统直接提供，与分接器输入数据 同步，c k 4 需要由分接器中的电路来产生，最简单的产生办法就是由两个t f f 构成的四分频电路产 生，这种方式产生的时钟是l ：l 的占空比，它也可以由其他方法产生，占空比未必一定要是1 ：l ， 也可以是1 ：3 等，只要频率关系是1 ：4 。对于分接器这样的高速数字电路，时钟信号和数据信号之 间的相位关系尤其重要，只有正确的相位关系，才能获得正确的结果和最佳性能( 如最高速率等) ， 如图2 3 ( b ) 所示，c k 的上升沿( 触发沿) 正好位于d o 的比特位的中点，这样可以获得最大的正 确率，原因是实际的数据信号有比较大的上升沿和下降沿一般情况下，在比特位的中点，数据信 号分辨率最大，即在这一点采样数据，数据的正确率晟大。如图2 3 ( b ) 所示，虚竖线为在时钟c k 4 的作用下，移位寄存器数据同步并行输出，c k 与c k 4 有一定的相位差，并大于输出寄存器的建立 时间，保证寄存器正确操作。 串行分接器的工作速度取决于各级移位寄存器和第一级时钟分频器的速率。对于1 ：n 串行分接 器，需要2 n 个d 触发器，其中n 个触发器工作在输入数据速率相同的时钟频率上，也就是分接器的 最高工作速率，他们的速度有可能制约分接器的速度。当这种电路主要依赖设计措施来提高速率时， 其消耗的功耗可能非常大，因为每一级由主从触发器组成的移位寄存器需要一个大电流来获取高速 度。因此这种结构一般只应用于一些低速系统。 2 3 2 并行分接器 图2 ，4 ( a ) 是1 ：4 并行分接器的结构图。d i n 是输入数据信号，c l 【是输入数据的同步时钟，c k o c k 4 是由c k 得到的四相时钟，d 。d 是四路输出数据。1 ：4 并行分接器的工作原理是由四相时钟 将输入数据四个连续的比特分别保存在四个并行的触发器中，这时就已经得到了四路分接的数据， 但是它们不同步，还需要四个触发器在c k 4 的作用下将这四个比特数据同步并行地输出，如图2 4 ( b ) 所示，这样就实现了完整的分接功能。 1 0 第2 章信道复用 对于1 ：n 并行分接器需要2 n 个d 触发器，n 个用于输入的d 触发器与高速的数据流并行但是 轮换的连接，另外n 个用于同步。与串行分接器相比，并行结构的2 n 个触发器都工作在输出速率 上，使得触发器的设计难度降低了，但是它需要n 个时钟。这n 个时钟具有相同的频率和相等的相 位间隔，频率是输入数据比特率的1 n 。产生这n 个不同相位的时钟信号需要设计专门的电路，这 也就增加设计的复杂度，同时这部分电路也需要消耗额外的功耗。 在并行分接器中，d 触发器的速度不再成为关键因索，因为他们工作在输出数据的比特率上。 对于一个l ：2 的分接器来说，这种结构的分接器可以达到展高的比特率但是对于高阶( n 4 ) 的 分接器来说，速度的大幅度提高将变得困难，因为n 个并行连接的d 触发器对前级电路来讲构成 个很重的电容负载，从而影响电路速度的提高。 2 3 3 树型分接器 - j l i 1f - | 厂一 厂订 jli 1 一 j 一一_ _ 一_ _ _ - - - i 圈2 41 ：4 并行分接器 图2 5 是1 ：4 树型分接器的结构图，它是由三个1 ：2 分接嚣构成的二叉树型分接器。第一级l ：2 分接器将输入数据分接成两路数据，下一级两个1 ：2 分接器荐将这两路数据分接为四路数据。第一 级1 ：2 分接器工作的时钟频率为输入数据比特率的1 2 ，第二级l ：2 分接器的时钟频率为输入数据 比特率的1 4 。 1 ：n 树型分接器( n 是2 韵指数幂) 需要n - 1 个1 ：2 分接器，l o 酬个时钟信号，这些时钟信号 东南大学硕士学位论文 频率分别是输入数据速率的1 2 ，1 4 ，1 n ，它们可以通过二分频逐渐得到。每个l ：2 分接 器一般包含5 个锁存器，在规模上相当于2 5 个主从d 触发器，所以一个1 ：n 树型结构分接器相当 于2 5 * ( n - i ) 个d 触发器的规模。规模小，相应的功耗也较小，另外整个分接器中只有一个1 ：2 分 接器工作频率为1 2 输入数据速率，其他1 ：2 分接器工作在更低的时钟频率上，因此电路设计的难 度降低，节约了为提高电路速度两增加的额外功耗。整个分接器相对于前一级只是一个1 ：2 分接器， 减轻了前级电路设计难度。 树型分接器具有逐级降速的优点，只有第一级1 ：2 分接器工作在输入数据速率的一半的频率上， 后面的l ：2 分接器工作速率越来越低。因此，根据各级工作速率减小锁存器的静态电流可以降低功 耗，但这也增加了电路设计的复杂度。 对于树型分接器，必须要有精确相位控制的时钟分配给1 ：2 分接器。当分接器的工作速率达到 g b s 范围时，触发器的内部延迟就不可忽略，同步树型分接器的定时关系就不能满足高速率的要求， 这时为了减小内部延迟的影响，需要延迟电路来调整数据与时钟之间的定时关系。可在分频器后 增加延迟使时钟对数据进行定位，获得正确的分接结果。 d d o l d 0 3 d 0 2 d 翻 c k 2c k 4 图2 5l ：4 树型分接器 当前国际上发表的论文绝大部分都是采用树型分接器的结构f 1 2 】【1 3 l f l 4 】，由于它可以采用半时钟输 入，克服时钟最大翻转频率受工艺的限制，简化了电路设计难度，实现更高的速率，因此本设计采 用的也是树型结构的分接器。 1 2 第3 章c m o s 集成电路设计 3 1 数字电路 分接器实际上就是一个高速的数字电路，本节将集中介绍设计中广泛采用的数字电路单元的原 理，及其设计指标和优化方法。 3 1 1 反相器 反相器是数字电路的核心。它可以实现逻辑“非”的功能，也可以用作放大器，延迟单元，驱 动缓冲，在数字电路中是最基本、用处最广泛，因此也是最重要的一个单元电路。虽然实际电路可 能比反相器复杂，但对反相器性能的研究仍然对电路设计有借鉴意义。 c m o s 逻辑的反相器屯路如图3 1 所示，在数字电路中，常用开关模型来分析，见图3 2 所示。 当输入高电平时。n m o s 闭合，p m o s 断开，输出与地有直流通路；输入为低时，n m o s 断开。p m o s 闭合- 输出与有直流通路。为了进一步了解反相器特性，下一小节将从静态特性和动态特性等 对c m o s 反相器进行分析【1 5 】。 阜 圭彤 r 一 图3 ic m o s 反相器电路图3 2c m o s 反相器开关模型 图3 3s c f l 反相器 s c f l 结构反相器的结构同差分放大器的结构相同，如图3 3 所示，该电路在工作中同普通的 差分放大器的差别在于差分放大器使两个m o s 管工作在饱和区，而如果电路作为反相器使用时，输 入信号是大信号。电路进入限幅区实现逻辑上的反向功能，其性能将在3 2 节具体分析。 3 东南大学硕士学位论文 3 1 1 1 反相器静态特性 在开关模型下，若将p m o s 管和n m o s 管的导通电阻等刻t y , j 印和母2 ，通过计算，可以得到反 相器负载特性曲线，如图3 4 所示( 电源电压为3 3 v ，l 巧i = o 8 4 v ，v r = o 6 v ，w ；- 6 u r n ，形j _ 2 5 u r n ) 。 图3 4 反相器负载特性曲线 图中，横坐标为反相器输出电压，纵坐标为n m o s 漏电流大小，由于j 矗= _ b ，因此可以在 一个坐标系中给出n m o s 和p m o s 的负载特性曲线，反相器的静态工作点则为这两条曲线的交点。 由图中可以看出，反相器的静态工作点主要分布在高电平和低电平附近，电压传输特性( v t c ) 的 转换区很窄，这是由转换区中反相器的高增益决定的。 对反相器的分析发现，构成反相器的n 管和p 管随输入电压的变化其工作状态也发生变化，如 图3 5 所示。 图3 5c m o s 反相器v t c 定义反相器的切换阙值为f y o 的点， 和模式，因此可得到： 图3 6r - a x k p 与v t c 关系曲线 由图3 5 可以看到，所在处n m o s 和p m o s 均为饱 等以一j 2 = 每阢一一i ，2 ，其中砖= 雎c o ，w 工，= ，c 。w l ( 3 1 ) 1 4 第3 章c m o s 集成电路设计 腼 = 华产层； 限：， l 十，v 舡 式中，当岛。知时，= t _ v ，这样可以得到最大的噪声容限和对称性通过调节盂，致改变反相 器的阈值可以改善电路的可靠