（电路与系统专业论文）cmos1：4分接器的设计.pdf

东谢人学坝l 。学位论_ ! = c =摘监 摘要 随着l b 信嘲年l i n l e r r t e t 网络的迅猛发展，多媒体通信的_ r 泛应h 4 ，光纤通信已成为信息社会的 支杞。同步数字体系( s d h ) 标准已由嘲际电信j 供盟i t u t 确立为_ h = 界性高迷数字传输标准。s d h 定义了s t m 一1 、s t m 4 、s t m t 6 、s t m 6 4 笛一辂套标准的同步传输模块，其数据速率分圳山 1 5 55 2 、6 2 2 0 8 、2 4 8 83 2 年9 9 5 32 8 m b s 笛( 通常称z 为l5 5 m b s 、6 2 2 m b s 、2 5 g b s 和1 0 g b s ) 。 本文介蜊席j f jr 光纤传输系统s d hs t m 一4 级州l ：4 分接器的设计。 分接器是实现高述数据传输的关键电路2 一。它位丁光纤接收机的末端，将接收到的路高 速信号重新恢复成多路的低速信号。实际上，这一路高速信号数据速率的火小决定了光纤波分复 川( w d m ) 系统中单信道的容量大小。 分接器有三种基本结构：串型、并耻和树犁。本文分析了二种结构的】作原理及其优缺点。 根据三种结构的各白特点和设计目标，本文选用串行结构进行设训。 在集成电路设计中，速度、功耗和面积是考虑的主要因素。分接器的基本单元电路是触发器。 触发器有两类常见的逻辑电路：c m o s 逻辑电路和源极耦合f e t 逻辑( s c f l ) 电路。c m o s 逻 辑电路虽然速度偏低，但具有静态功耗低和结构简单两大优点。s c f l 电路速度高，但功耗和面 积也较大。考虑到本文以中等速度和低功耗为设计目标，因而采用了c m o s 逻辑电路。本文将分 析c m o s 逻辑电路的性能，着重阐述c m o sd 触发器的设计及优化方法。同时介绍接口电路的 设计和集成屯路设计裕量的基本概念。 本文给出了分接器的版图设计考虑和后仿真结果。最后给出了芯片的晶圆级测试结果和封装 级测试结果并对测试结果进行了详细的分析。 本文设计的l ：4 分接器采用t s m c o 2 5 j t m c m o st 艺实现，测试结果表明芯片成功地实现 了s d hs t m 一4 级别l ：4 分接器的功能，最高分接速率可达2 2 g b s 。 【芙键字】 同步数字体系( s d h ) 、c m o s i 。艺、分接器、数字电路、c m o s 逻辑电路、触发器 东商人学删f + 学位i 它史 b s t r a c 丁 a b s t r a c t a sd i ec o m m u n i c a t i o na u di n t e r n e ld e v e l o pr a p i d l ya n di n u l t i m e d i ai sa p p l i e dw i d e l y ，o p t i c a l c o l l u n ( 1 l l l c j t t i o ( 1h a sh c c o m ed i eb a c k b o n eo fi n f o r m a t k ms o c i e t yi o t e r e a l l o n a s y n c h t o f l o i sd i g i ( a l h i e r a r c h ys t a n d a r db a db e e ne s t a b l i s h e d f o lt h ew o r l dh i g hs p e e dd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns t a n d a r db y i n t e m a t i o o a lt e l e e o mu n i o no t u 。t ) t h e r ea r es t m i s t m ，4 ，s t m 一1 6 s t m 一6 4 ，e t c 、as e to f s t a n d a r ds y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm o d u l e si ns d h ，w h i c hc o r r e s p o n dt od a t as p e e d sa r er e s p e c t i v e 15 55 2 ，6 2 20 9 ，2 4 8 93 2a n d9 9 5 32 9 m b l s ，e l c t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g no ft h e1f 4d e m u l t i p l e x e r a p p l i e di no p t i c f i b e rtr a n s m i s s i o ns y s t e m ss d ha ts r m 一4l e v e l d e m u h i p l e x e ri so n eo ft h ek e y c i r c o i t si nt h e h i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n d e m u l t i p l e x c r n o r m a l l yl i e s a tt h ee n do fo p t i c 。f i b e rr e c e i v e r ，w h i d lr e c o v e r so r i g i n a ll o w - s p e e ds i g n a l sf r o ma h i g h s p e e ds i g n a l i nf a c t t h ev e l o c i t yo ft h i sh i g h s p e e ds i g n a ld e c i d e st h ec a p a c i t ys i o ft h es i n g l e c h a n n e li no p t i c a lw a v e - d i v i s i o n m u l t i p e x e r ， t h e r ea t et h r e eb a s i cs l r “c | u r e sf o rd e n l n l l i p l e x e r ：s e r i a l ，p a r a l l e la n dt r e e ，t h e i rw o r k i n g p r i n c i p l e , a d v a n t a g e s ，a n dd i s a d v a n t a g e sw i l lb ed i s c u s s e di nt h et h e s i s a c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d e s i g no b j e c t i v e ，t h es e r i a la r c h i t e c t u r ew a ss e l e c t e d i nt h ed e s i g no f d i g i t a li c s ，t h es p e e d ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec h i pa r e aa r et h em a i nf a c t o r s 船b ec o n s i d e r e d t h eb a s i cc e l lo f t h ed e m u l t i p l e x e ri sd f l i p f l o p d f f lt h e r ea r et w of a m i l i e so f d f f t h ec m o sl o g i ca n dt h es o n r c , ec o u p l e df e t l o g i cr s c f l ) t h ec m o sl o g i cf a m i l yh a ss l o w e rs p e e d b u tl o w e rs t a t i cp o w e ra n ds i m p l es t r u e t n r et h es c f lf a m i l yh a sh i g h e rs p e e d ，b u th i g h e rp o w e ra n d l a r g e ra r e a d u et ot h ed e s i g no b j e c t i v ee f am o d e r a t es p e e da n dl o w e rp o w e r ，t h ec m o sl o g i cf a m i l y w a ss e l e c t e di nt h i st h e s i s ，w ed i s c u s st h ep e r f o r m a n c eo fc m o s l o g i cf a m i l y a n df o c u so nt h ed e s i g n a n do p t i m i z i n go f c m o sd f f a l s ot h ed e s i g no fi 0c i r c u i t si sd i s c u s s e d ， l a y o u td e s i g ni sd i s c u s s e db r i e f l ya n dp o s t - s i m u l a t i o nr e s u l k sa ”p r e s e n t e dd e m o l t i p l e x e rw a s f a b r i c a t e di nt s m c0 2 5 h mc m o sa tl a s t ，t i l et e s tr e s u l t sf r o mt h er e l a t i v e dd e m u l t i p l e x e ri c ，o n w a f e ra n dp a c k a g e d ，w i l lb ed o t u e s f a t e da n da n a y s e d t h el e s lr e s u l t ss h o wt h a td e m u h i p l e x e ra c e o l n p l i s h e dt h ef u n c t i o ni ns d hs t m 一4s p e e dl e v e l f u r t h e r m o r e i ic a nr e a c h22 g u sd a t as p e e d k e yw o r d s ：s d i1 ，c m o st e c h n o l o g y ，d e m u l t i p l e x e r ，d i g i t a lc i r c u i t s ，c m o sl o g i cc i r c n i t s d f f 学位论文独创性声明 y 7 u z 0 4 8 本人声明所声交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究工 1 搜墩 ! 的研究成粜。烬我所知，除了史一1 ，特别加以枷：翱：平致谢的地方外，论文i i 4 ；也禽 l 他人l 纤发太! 戈撰。j 过晌 i j | 究成果，【! 土不乜龠为扶得尔南人学或妓它教f 帆蜘 的。1 j ：f j k i i l 。lc j 1 止j | j j n ，j 1 ，4 ：l 。0 我一l i d l f 1 ：的i 州，占刈水训f 究j 行f l | l j n 0 仃州01 川、j 0 l ，- 沦文r f - f 1 j f 9 f 确1 1 ，jb a u j f0 i _ j - 西j 意。 签名：期：哆，；- 关于学位论文使用授权的说明 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 沦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 电予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。 签名：辫导师签名：掣日期：一 东南人学硕i 学位论文抑一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信系统简介 光纤是现代迎信网中传输1 矗息的最他媒质。光纤通信f 1 ：为一项新兴的通信技术，从一开始就 显示山无比的优越性，引起人们的极人兴趣年关注。扯翘短的儿十年中，获得j 迅述的发展。光 纤通信之所以能螂成功，土要得豁丁超纯i i 英玻璃纤维干、r 导体激光器的4 0 i n 成功。 通信和计算机技术的迅猛发展，出乎人们的预料。电子传输设备速度的高速增长，只有光纤 线路的容量才能满足。硅数字电路速度充其量可达到1 0 g b s ，而砷化镓电路的速度是硅器件的一 到百倍。1 0 g b s 的高速集成电路已经开发出来，并进入商业应用阶段。2 0 0 g b s 的晶体管和4 0 g b s 的集成电路已成功实现。这些都推动丁光纤通信的迅猛发展。 与己建的屯缆通信、微波通信相比，光纤通信显示山其一系列优越性，这主要表现在以b j l 个方面： ( 1 ) 频带宽、通信容量大。现行电缆通信工作频率为1 0 5 l o g h z ；微波通信工作频率在1 0 9 h z 左右；光纤通信的现行工作频率( 光波载频) 在1 0 ”h z 左右。因此，光纤通信的带宽与通 信容量比微波通信高1 0 万倍，而比同轴电缆通信高达1 0 0 万倍。在光纤通信中，光频尚 有巨火的带宽与容量有待于开发利用。因此，光纤通信前途无量。 ( 2 ) 光纤传输损耗低，适用于长途传输。对于现已成熟的硅玻璃( s i 0 2 ) 光纤，t = 作波长在 o 8 5 1 5 5t t m 之间。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 m 以上：而对于同轴电缆通信，在1 0 0 m h zt 作时损耗值高达 7 5 d b k m ，无中继距离仅在5 k m 左i l 。 ( 3 ) 光纤体积小、重蕈轻、可绕性强。外径1 2 5 “m 的一根l k m 欧光纤重鞋仅有2 9 克，比有 色金属铜线轻得多，并且般改也比铜线简单。由1 + 重量轻，特州遁州】：b 机、汽下、舰艇 等通信控制系统。 ( 4 ) 输入与输出之间电隔离。能抗电磁干扰，防闪电雷击。特别适川 i 铁路、电力、厂矿等电 磁干扰严重的环境：适台电子计算机联网，l u 视传输，以及e 机、舰艇、导弹等要求防电 磁干扰的通信、传输、控制系统。 ( 5 ) 儿乎无漏信号平串音，安全可靠、保密性强。剑目前为i t 还没有发现能窃听光缆中传输的 光信息的手段，特别适川于军事保密通信以及国家安全机要部j 内部通信与m 要经济信息 糸陌大学硕i ：学位论史 抑一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信系统简介 光纤是现代主f l l 信网中传输f 。i 怠的最他媒质。光纤通信1 1 。为一项新兴的通信技术，从一开始就 显示山无比的优越性，引起人们的极人兴趣年关注。扯短短的几十年中，拱樽j 迅速的发展。光 纤j j i 信之所以能蚍成功，上要得黼丁超纯i i 英玻璃纤维和i 、r 导体激光器f # j4 哪n 成叻。 通信和计算机技术的迅猛发展，出乎人 j 的预料。i i _ i f 传输设备速度的高速增长，只有光纤 线路的锌量才能满足。硅数字电路速度充其量可达到1 0 g b s ，而砷化镓电路的速度是硅器件的一 到百倍。1 0 g b s 的高速集成电路已经开发出来，并进入商业应用阶段。2 0 0 g b s 的晶体管和4 0 g b s 的集成电路已成功实现。这些都推动丁光纤通信的迅猛发展。 与已建的屯缆通信、微波通信相比，光纤通信显不山其一系列优越性，这主要表现在以f 儿 个方面； ( 1 ) 频带宽、通信容量大。现行电缆通信工作频率为1 0 5 1 0 8 i z ；微波通信工作频率在1 0 9 h z 左右；光纤通信的现彳亍工作频率( 光波载频) 在1 0 ”h z 左右。因此，光纤通信的带宽与通 信容量比微波通信高1 0 万倍，而比同轴电缆通信高达1 0 0 万倍。在光纤通信巾，光频尚 有巨大的带宽与容量有待于开发利用。因此，光纤通信前途无量。 ( 2 ) 光纤传输损耗低，适用于长途传输。对于现已成熟的硅玻璃( s i 0 2 ) 光纤，t = 作波长在 0 8 5 1 5 5 n l 之间。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 m 以上：而对于同轴电缆通信，在1 0 0 m h zt 作时损耗值高达 7 5 d b k m ，无中继距离仅存5 k m 左i ，。 ( 3 ) 光纤体微小、重彗轻、可绕性性。外释1 2 5 “m 的一根l k m 眨光纤重姑仅有2 9 克，比有 色金属铜线轻得多，行且般| 殳也比垌线简单。由丁亚姑轻，特别遁川j ：乜机、汽午、舰艇 等通信控制系统。 ( 4 ) 输入与输山之间电隔离。能抗电磁干扰，防闪电雷一i 。特别适川1 一铁路、电力、厂矿等电 磁于扰严重的环境：适台电子计算机联网，【u 视传输，以及e 机、舰艇、导弹等爱求防电 磁干扰的通信、传输、控制系统。 ( 5 ) 儿乎无赫信号羊串音，安全可靠、保密性强。剑h 前为l t 还没有发现能窃听光缆中传输的 光信息的手段，特别适川于军事保密通信以及国家安全机要部内部通信与m 要经济信息 第一苹绪论 的保密传输。 ( 6 ) 抗腐蚀、抗酸砒。光缆可直接枷在地h 特川适台化1 企业的内部及恶劣环境f 的通信。 ( 7 ) 讪省能源。制造1 0 0 0 公里光纤比制造相| _ j k 度阃轴电缆可1 ，省约2 6 0 亿千焦( 6 3 亿人譬) 能虬这相与】。9 0 0 吨煤完全燃烧产生的能带。 ( 8 ) 资滁丰富。可竹人量订色金属。l _ _ l 前制作光纤的原利是二氧化碎( s i 0 2 ) 此种材料在地 球j 二极其丰寓。砘提纯技术的进步，使得可以生j h 出碓材料的两人类产晶：光导纤维桐集成电 跆。光导纤维的造价i c 降迅速， 公斤极纯的吖i 英玻埔可拉f | i i | l o o k m 以上的光纡，而1 0 0 k m 以 j 二n 勺1 8 0 0 路刊 ：i h 电缆州需铜l5 0 吨、钳5 0 0 吨。 铜线 纤 图i 1 三代通信网络结构( a ) 第一代( b ) 第二代( c ) 第三代 蚓1 1 表示三代通信嘲络物理层：第一代，节点之间采用铜线互连的网络，如图1 1 ( a ) ； 第二代，用一段段光纤取代铜线而构成的网络，如图ll ( b ) ，这样的网络就是所谓的光纤通信 网，目前铺设的光纤通信网大多数是第二代网络：第三代，所有节点被不间断的光纤互连，如图 1 1 ( c ) ，这样的网络就是全光网络，是当前通信网络研究的热点。全光网络相对第二代网络而 ；电，光和光电转换少了很多，可以应用光子器件进行数据交换。 光纤网络由电器件，光屯器件和光纤组成。即使将来的全光网络仍然是由这三者构成。光纤 在传输系统中的麻刖加上渡分复用技术解珧，干线信道的容量问题，但是当前通信系统的接入网 和终端仍然是由电子器什剌线路+ 勾成的。未米的信息网仍将是电r 、光i b 与光子系统的集成系统， 系统中屯f 线路的t f 1 1 速度仍对系统的传输容埴起制约作h j ，也就是说电路速度是网络传输能力 的瓶预。冈此，岍发具有 j 主知识产权的光纤通信超高速集成i n 路，尤其是紧跟世界i 流的高速 光纤通信集成电路，对我圃的信息产业的持续发展具有重人的意义。 i 刳i2 为光纤传输系统的收发机结构示意幽。任发射端，复按器 m u x ：m u l t i p l e x e r ) 将n 路低 速信号复接成一路南谜信号澈光牲动器( l d d ) 驱动激光极管( l d ：l a s e rd i o d e ) 将电信号转换为 光信号后通过光纤传输。在接收端，光信口由光电二板管( p d ：p h o t o nd i o d e ) $ - 化为l 乜信号。微弱 的电信号经过狈放人器帚1 i 放_ 人器( p r e a m p l i r a ：p r c - a m p l i f i e , l i m i t e da m p l i l i c r ) 救人斤。南时 尔南人学坝i 学干迁论卫 第一市绪论 钵恹复年 i 数据判决( c d r ：c l o c kr e c o v e r y d 8 l ad e c i s l o n ) 电路分菇4 恢复；i , n 铡4 信号和暾掘信i j 。 最后l i 分接器( d c t l l u ：d e m u l t i p l c x e r ) 把高述信0 还塬成帐始的n 路低述信号。 1 2 分接器 斟12 光纤传输系统的收发枫结艳示意酬 众所周知，一个传输信道( 如电缆、光纤等) 的撷带宽度或比特率可能远远高丁_ 欲传输的单个 信道的信号带竟或比特率。例如，一路p c m 鼗宇电话豹t e 特率为6 4 k b s ，而光纤信道的数据传 输速率可以达到t b s 量级。如果一根光纤信道还像以前电路交换一样只传一路电话，那么将会浪 费大量资源。通信系统中，提高信道利用效率的重要技术就是复用技术。复用技术，有时也叫复 接技术，是实现在同一传输信道上互不干扰地同时传输多路不同信号的技术。 复用技术有多种形式。模拟信号大都采崩额分复用( f d m ：f r e q u e r m y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技 术，而数字信号则更适台采用时分复阁( t d m ：t i m ed i v i s i o nm u i i i p l e x i n g ) 技术。时分复用技术就是 将传输时间分割成若干个时隙，将需要传输的多路信号按一定规律插入相庶时隙，从而实现多踏 信号的复川传输。对丁| t d m 复接器积1 分接器是两个对偶的电路。复接爨是把多信道传输的多路 低速信号转化成一路l 高速信号，分接器则是将一路高迷信号恢复成多路低速信号。汇八高速信号 流的低速信号通道数成为复接器的阶数，由r 分接器执行与复接器相反的功能，闪此分接器的阶 数等r 复接器的输数。也就是说当发送端川一个n ：i 的复接器时，接收端就需要州一个1 ：n 的 分接器。阶数的商低要j 投决于系统设训。到目前为【卜，n = 2 、4 、8 、1 6 的多路分接器在光纡通信 领域得到了j 泛的戍埘。 东南夫学坝l + 学位论文第一章绪论 1 。3 集成电路的工艺 在光纤通信系统中，多科，、r 导体材料都有着齐白的应_ l j 领域，其中，s i ，g a a s ，l n p 是最贝 j 也延撮基本的二引d ”。以这些、r 导体材料为衬底，可以构成多种i ：艺，例如，以s j 为利底的集 成电路j 艺7 ) 戕极h 砷( b i p o l a r ) i 艺、c m o sj 艺、b i c m o si 艺车j js i g eb i c m o si 艺：以 g a a s 年i n p 为幸j 底旧睡成i 也j | ! li ：艺订m e s f e t ，h e m t 和h b t 二种i 艺。 1 1j 场上9 0 的i c 产- u i 琊是丛 。s ji 艺的。为其原材判便官，技术成熟，阅此产晶成水低。 ( t i i n 足性能指标的悄况r ，n 基i c st - i 然成为系统集成的前选。基丁s i 霸g e 的h b t ( 异质结以 极性品体管) 技术有了快速的发展。与基丁il v 欣利料的h b t 技术相比，它的优越性住1 ：其低 廉的s i 利料。 g a a s 衬底是、卜绝缘的，在这样的衬底上可做出高性能的器件如电感，徽波变压器，及微波肇 米波传输线：同时还可能开发器件具有更好的隔离性能。g a a s 器件羽l 电路能l ：作在更高的温度， 具有更好的抗幅射性能。在兼顾速度与功耗这两个设计的重要指标时，g a a si c 提供更好的性能， 例如，在微波毫米波范围内，g a a si c 已经处于主导地位。 在光电子系统中，l n p 是最重要的1 1 1 v 族化合物半导体材料。与g a a s 一样，其电子与空穴 的复台也是直接进行的，所以，l n p 适台制作发光器件及o e i c 。1 1 1 p 突出的特点在于g a l n a s p l n p 发出的激光波故介于0 9 2 16 5 u m 之间，这个波长范围正好覆盖了传输信号的最小色散波长 ( 1 3 硅m ) 和最小衰减波长( 】，5 5 9 m ) 。i n p 工艺的缺点在于其技术还没有g a a s 那样成熟。 上述几种半导体材料在不同速率的分接器的设计中都有应用：以s i 、g a a s 为衬底的上艺应 用于t d m 的分接器设计9 0 以l n p 为衬底的t ：艺应用于光屯子器件和w d m 的分接器设计 在以上这些工艺中，c m o s 工艺的发展最快。2 0 0 3 年2 月在美国旧金山召开的国际会议 i s s c c 上，摩尔预测：摩尔定律在今后十年内仍将继续有效。 随着c m o si 艺的特征尺寸不断减小，特征频率 不断提高，现有的特祉尺寸在o ，3 5 9 m 以 r 的深弧微水艺已经可以实现g b s 迷率级圳的芯片。例如，人们已经采02 5 k u nc m o sl ：艺 实现了42 5 g b si ：3 2 分接器鸭采川0 i8 9 i nc m o si 艺实现j ，1 0 g b sl ：8 分接器i ”。 当前，c m o si 。艺已成为i c 业界的首选1 。艺。如果能采州c m o si i 艺实现的电路，就不再 选川圳的1 岂。这是冈j , j i s l ： 、c m o sf ，艺容易获得。幽内有华品、华酊、先进等、卜导体f 艺厂商u r 以提供j j 日f 服务： 美国m o s i s 向全世界提供多项舀晶琏驻务，所提供的最先进的c m o sl ：艺已经达剑o 1 8 9 m 的水 平：欧洲类似的组织如c m p 也提供多项目品圆服务。 二二、c m o s 流片费州比其它一i 艺低。 东南人学坝i 学位论义筇一章绪论 了、c m o si b 踏功耗小集成度高。c m o s 有着g a a s 、烈极性硅等l 。艺无法比拟的优点。 1 4 本论文的研究动机和工作介绍 本论文主要研究i j 设计戍川丁s d h 光纤通信系统s t m 一4 述率级别( 6 2 2 m b s ) 的1 ：4 分接器。 分接器t i 二年l j 基本结构：串型、并烈年| 树型。二种结构各有优缺点，在当前的分接器电路中 二者都仃虑川。木论文对串删结构进行j 尝试。 鉴 一c m o si ：艺的优点，水论文垃引1 f j 分接器采j uj 台湾t s m c 公司的02 5 9 i n c m o si 艺。 分接器f f f j 丛奉单元【乜路是触发器，常见的实现方式有c m o s 逻辑o ”平s c l 逻辑1 “。c m o s 逻辑电路具有功耗低的优点，但l ：作速率相对较低。对丁0 2 5u mc m o sl ：艺，c m o s 逻辑的最 人时钟频率人约是2 g h z 6 1 o s c l 逻辑电路的速度止比丁_ 充放电电流的人小，反比丁信号的摆幅， 因此，可以通过增人| 二作电流和减小信号摆幅来提高屯路的工作速率f 8 j 。所以，这种逻辑的电路 可以达到很高的速率，例如，0 2 5p _ mc m o s1 ：艺实现5 g h z 时钟频率1 8 i ，但这是以更大的功耗为 代价。由于本论文的设计目标是实现6 2 2 m b s 速率上的l ：4 分接器，所以，尝试采用c m o s 逻辑 的触发器来实现目标，并在功耗方面进行了优化。 图1 3 给山本文1 ：4 分接器的八步设计流程，详细说明如下： 第一步，系统指标的确定，如工作速率，工作稳定范围和电源电压等。 第二步，根据系统指标对系统进行分析，得出采用何种电路结构实现。在这里，采用串型结 构和c m o s 逻辑实现其中的基本单元触发器。 第三步，获取精确的器件模型和器件参数，我们选_ h j 了美国加州大学b e r k e l e y 分校开发的最 耘的基于物理的深亚微米m o s f e t 的b s i m 3 v 3 模型和t s m c 的0 2 5 p , mm i x e d s i g n a ls a l i c i d e c m o s 闽值电压为25 v 的器件参数库。器件模犁需要知道m o s 管的周长和面积等参数用它们 来计算寄生效应，而这些参数与版图设计有关。为了能准确地表征含义指形m o s 管的器什模犁， 我们专门设计了m o s 管子i _ l j 路，通过参数的设越米实现这一目标。 第四步，电路设计与仿真，在这部分花的时间较| 王= 。需要对电路的r 作原理和特性深入理解， 确定电路参数，进行仿真和优化。 第五步，版i 刳设计，版幽设计的优劣“接关系剑系统的埽终性能。在这里，需要借鉴别人成 功的改计经验。在版图殴计的同时需要进行设计规| j ! l j 检奄( d r c ) 、版图电路幽对j ： l ( l v s ) 雨i 寄生参数提取( l p e ) ，由 条什限制，采h j 手i ：的方法来完成这步。 第八步，而仿真，即把寄生参数加入电路网表进行斤仿真，并确定仿真结果是否达到目标， 如没有，需对电路年版幽重新设计。 东南人掌颤i 。学位论文 第一：啭绪论 冀 蝗 $ 田 琏 蜜 雌 “ 寒 k 图1 3 芯片设计流程 第七步，芯片制造，即将版图提交给芯片制造厂家制造。 第八步芯片测试，这是芯片殴计的重婴环1 ，。当芯片测试完升对测试结果进行分析，将之 与殴计目标进行比较，得山改计是否成功。而且，芯片测试的结果是否准确对r 次改进是至关重 要。对本论文中的分接器进行了两种类型的测试，即在：占片测试利封装后测试。对测试结果进行 了深入地分析，得出了一些设计中存在的问题。 完成了上述所有步骤邵完成了芯片设计疗一个循环。对丁模拟电路来说，通常需要多次循环。 本论文的l ：4 分接器已完成一个完船的循环。 东南大学颂1 ：学位论文 第二帝复接! j 分接的晾理 第二章复接与分接的原理 随着 = = 会的不断进步，人与人之问的联系越米越密切，人们对信息的传输提出了更高的要求。 从过去的电报，电话，广播等业务，发展剑现在的传真机、移动电话、可视电话、高清晰皮l 乜视、 视频点插年| l 视频会议等业务。传输姒体也从过太的文字和语音等，发展剑现在的立体卢、移动倒 像、动画以及多媒体等。在通信系统中，上述的传递媒体就是信源。不同业务要求的信道带宽是 不同，表2 1 列山了儿种业务要求的信道带宽。 表2 1 符种业务要求的信道带宽 业务种类要求的信道带宽 广播节目1 5 k h z p c m 数字电话6 4 k b s 传真机2 4k b s ，4 8k b s ，7 2k b s ，9 6k b s 视频会议3 2 0 k b s 高清晰度电视2 0 m b ，s 局域网 l om b s 1 0 0 m b s 当前，通信网正朝着综合业务数字网的方向发展，也就是说，能在电信网中开展各种业务， 通俗的讲就是所谓的“一线通”。那么，奶匆将这些不同传输速率的多种业务“汇集”到“一根 线”上传输昵? 在高速宽带业务迅猛增k 的信息时代光纤媒质由于其容量大，重量轻，节省有色金属等特 点，已成为现代通信的主要传输媒质之一。光纤的信道容鼙巨人，仅在1 5 5 p _ m 的光窗v i 处可h 的 信道容姑就高边10 1 b s ( 1 t b s = 1 0 ”b s ) i ”l 。然而口前任何独立信源需要的容量远远小丁这个 数崩：级，即使要求信道带宽最人的局域网也只有1 0 0m b s 。那么，如何才能充分利川光纤信道的 巨人容蛀，来满足当前对信息传输的爆炸性需求? 要解决这两个“奶矿，就要引入复用技术的概念。 东街人学坝r i 。学位论卫第二帝复接7 i 分接舶原删 2 1 复用技术 2 1 1 复用技术的概念 复州技术，有时也叫复接技术，是实现在尉传输信道j 二。q 不干扰地同时传输多路不同信号 技术，可川来提高通信信道的利川率。 在传统的电信技术中常川的复h j 技术硝“频分复川”、“时分复”、“码分复j j ”等。频分复 川多j 丁模拟通信，例如载波通信：时分复h j 多j h 丁- 数字通信，例如p c m 通信；码分复c d m a 多州丁无线通信，例如第二代移动通信。 往光纤通信中，复h j 技术被认为是扩展现存光纤网络j ：程容量的主要手段。也就是说，利川 光纤宽频带人容鼙的特点，在一根光纤或光缆中同时传输多路信号。在多路信号传输系统中，信 号的复用方式对系统的性能和造价起着重要作用。在光纤通信中，信号的复用主要有时分复用方 式( t d m a ) 、空间复用方式( s d m a ) 、波分复用方式( w d m a ) 、频分复用方式( f d m a ) 、光时分复 用技术( o t d m a ) ：j h 光码分多址复用技术( o c d m a ) 等儿种。 在这里我们主要讨论与本论文相关的时分复用。对其它的复用方式先简单的介绍一下概念。 空间复用技术( s d m a ) 的一般理解是：多条光纤的复用即光缆的复用。由于需要额外光纤和相 应的设备，这种复用方式成本成倍增加。 波分复用技术( w d m a ) 是在一根光纤上承载多个波长( 信道) 系统，将一根光纤转换为多条 虚拟光纤，每条虚拟光纤独立_ t 作在不同波长上。每个信道运行速度高达2 5 1 0 g b p s 。由于w d m 系统技术的经济性与有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。第二代w d m 系统即 密集波分复崩技术( d w d m ) 可以承载8 1 6 0 个波长。其带宽增长速度远远超过了将信号以电 的方式进行复j _ j 的时分复用技术( t m d ) 。 光时分复州技术( o t d m a ) 是一种超高速传输技术它使_ 【_ | j 极窄脉冲产生较人的带宽，将光支 路数据流直接复h j 进光域米产生极高比特率的合成数据流，从而更加有效地利川光纤的频谱资源 i 1 3 。 光码分多址复刚技术( o c d m a ) 是一种全新的光纤频谱资源利_ l j 思路，采用暂时的波形( 称作 光特征码) 米编码和解码，不同的信息可共享一个时域、频域和空间域，采州匹配的滤波器根据 域值从通道的所有信号中选取所需的信号，冈此从理论上说可以不需光学滤波器制：。 东南人学坝i 二学位论文 销一章复接0 分接的原理 2 1 2 时分复用( t d m a ) t d m a 技术在山子学通信中已经是很成熟的复川技术，在通信领域得到了广泛麻用，成为数 字通信的基本技术。这种披术就是将传输时间分割成若干个时隙，将需要传输的多路信号按一定 规律插入丰1 j 府时隙，从而实现多路信号的复川传输。由丁时分复刚汀d m a ) 更考虑时间上的问题， 所以需要注意通信中的同步平定时问题，否则会冈为时隙的错何平混乱而导致接收端的接收机无 法止常接收信息。 时分复刚( t d m ) 是最有效的、性价比最好的话音协议。s d h s o n e t 自愈环延广泛采h j 的 城域和土干传输技术，它采川基丁时分复j 1 j 的电路交换方式实现带宽的分配利接入，具有丰富的 比特开销实现性能管理和故障管理，有着快速的保护倒换能力，特别适合语音等需要严格的实时 性保证的业务。 但是，这种技术在电子学通信使用中，由于受到电子速度、容量和空间兼容性等诸多方面的 限制，使得电子时分复h ；| 速率不能太高。这些因素主要是：数字集成电路的速率、高功率低噪声 线性放大器的速率、激光器弃阔制器的调制带宽等。例如，p d h 信号仪达到o 5 g b p s ，尽管s d h 体制信号采用同步交错复接方法己达到1 0 g b p s ( s t m 6 4 ) 的速率，但是，达到4 0 g h p s 却是相当 困难的。另一方面，在光纤中，对于光信号产生的损耗( a t t n u a t i o n ) 、反射( r e f l e c t a n c e ) 、色 散( c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) 以及偏振模式色散p m d ( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 等都将严重影 响高速率调制信号的传输。当信号达到s t m 一6 4 或者更高速率时，p m d 的脉冲扩展效应，就会造 成信号”模糊”，引起接收机对于信号的错误判断从而产生误码。这是由于不同模式的偏振光在 光纤运行中会产生轻微的时间差。一般要求p m d 系数必须在0 1 p s k m 以下。综上所述，由于电 时分复坩技术的局限性，以电的时分复用为基础的强度调制直接检测光通信系统的虽高商用化速 率约在1 0 2 0 g b s 左右。尽管目前实验室的试验水平已达4 0 g f f s ，但是这一速率将来很难用于k 途传输系统，很可能只适州于短距离通信。 当前的光纤通信网采川时分复_ l l j 可剑边1 0 0 b s 的速率，在这个基础上再应_ l j1 6 0 路的波分复 ，这样r 以达到1 6 t b s 的传输速率，从而使光纤信道容鼙的9 0 以上得剑利川。 时分复川从总体上可以归纳为“透明”和“1 r 透明”两类。按数据复州单元的人小分，“透 明”的时分复t l l j 方式可分为按比特复接和按字1 y 复接两类。这些概念可以参考文献 8 】。本文所设 计的i ：4 分接器按比特分接方式工作，属于“透明”分接器。 2 2s d h 及其复用结构 任何一种有效的通信都必须建立完需的通信标准硐i 协议，光纤通信也不例外，具有代表性的 标准币i 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 9 东南人学坝i 学位论文 第二帝复接j 分接的原理 字体系s d h 谆。 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米，山c c i t t ( 即现在的国际电 信联盟i t u t ) 确立为适合光纤、微波和乜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、复川方式及网络点接口参数等，刮目前为l r ，已通过了一系列建议， 形成了一整套高标l 化的技术规范为研翻开发、规范设计和施 i 维护等l 作提供了必要的技术 依据。s d h 已成为多列- 高述数字网络包拈p d h 、f d d i 莉la t m 等进入光纤传输土通道的平台技 术。 2 2 1s d h 技术特点 s d h 的提出和庶心是从网络的高度灵活性和规范化山发的，它将逐步取代p d h 传输体制。 归纳起来，光同步传输网的土要特点是同步复刚、标准光接口和强大的网络管理能力。具体地说， 有如卜主要特点： 1 )使2 4 路制和3 0 路制两种p d h 数字系列在s t m l 等级上实现了统一，使之成为数字传输体 制上的世界标准。 2 )由于采用了同步复用和复用映射方法，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刚去复h ；| 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 )在i 帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的运行、管理和维护能力大大加强，而且便 于将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性的自愈环网结构。 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，便丁网络的编织和调度，使 网络投资成本h 约1 0 - 2 0 以上。 5 ) s d h 网具有信息净负荷雨啶时的透明性。所谓信息净负荷的透明性指的是网络可以传送箨种 净受荷及它引的编合，雨l j 信息的具体结构无关。 6 )s d h 网具有后向和翦向兼容性。它! j 传统的p d h 网完全兼容。另外它还能容纳新的业务信 号，如b i s d n 中的a t m 信元、高速局域网的光纡分布式数据接口( f d d ) 信号取1 分布排 队删总线( 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竹点接e l ( n n i ) ，而实现统一的n n i 的首要任务 东南人学坝i 学位论文 ；l ；一市复接j 分接的缘用! 赴接 1 速率等级祠l 数据传送格式的安抓。附此舀：s d h 传输叫巾，信息结构采川标准化的模块信 弓，即同步传输模块s t m n ( n = i 、4 、1 6 等) ，其中n = i 是基本的扔硼；模块信号，其速率为 1 5 5 5 2 m b l s ，其它等级信号的标准速率值如表2 2 所示，表中也州i “了适