（电路与系统专业论文）超高速复接器集成电路研究.pdf

摘要 超高速复接器集成电路研究 杨守军王志功教授 东南大学 目前在国内，1 0 g b s 以上速率的光通信关键芯片复接器还没有人研究。本论文对1 0 g b s 以上速 率的复接器从系统结构、器件模型、电路设计、电路仿真、芯片测试等方面进行研究和探讨。 论文深入分析和比较不同复接系统结构，给出适合超高速应用的2 ：l 和4 ：1 复接器结构，首次 提出倍频器提供时钟的多阶( 或级) 复接结构。以法国o m m i c 公司的e d 0 2 a h 工艺为例，阐述晶 体管的直流特性、小信号模型以及大信号模型，说明应用晶体管模型时需要注意的问题。并且，还 分析了适合超高速集成电路中应用的微带线、接地共面波导、耦合微带线等传输线的结构与特性。 论文对2 ：1 复接器和倍频器进行了深入研究，并应用法国o m m i c 公司的砷化镓p h e m t e d 0 2 a h 工艺和s c f l 电路结构进行了芯片设计、实现和测试。二倍频提供高速时钟的2 ：1 复接器 芯片，其测试结果验证了该结构的可行性。在此基础上，论文中还分别实现了2 ：1 复接器、倍频器 两种芯片。测试结果表明，2 ：1 复接器至少可以在2 4 g b s 速率上正常工作。改进异或门实现的倍频 器，不仅在2 3 g h z 上得到较好的二倍频测试结果，还在十六倍频上得到结果。 论文进一步应用砷化镓p h e m td 0 1 p h 工艺，结合射频、微波等领域中的匹配设计方法，设计 出的2 ：1 选择器在8 0 g b s 、9 0 g b s 、甚至1 0 0 g b s 速率上都能正常地工作。 论文作了多项开创性工作，填补国内在1 0 g b s 以上速率复接器研究的空白。对于我国研究超高 速集成电路和独立设计开发具有自主知识产权的下一代光传输关键芯片具有重要的学术价值。 关键词：光通信复接器晶体管模型二倍频传输线源极跟随逻辑( s c f l ) 匹配 a b s t r a c t r e s e a i c ho nu l t r ah i g hs p e e dm u l t i p l e x e r ( m u x ) i n t e g r a t e dc i r c u i t y h n gs h o u j u n p r o f w a n gz h i g o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y u n t 订n o w ，t h e r eh a sb e e nn or e s e a r c ho nm f u x ( m u l t i p l e x e r ) o v e r10g b sd o m e s t i c ly ，w h i c hi s ak e y c h i pi no p t i c a lt r a n s c e i v e r i nt 1 1 i sp a p e r ，d e t a i l e dr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o na r em a d eo nt h em u x o v e r10 g b si ns y s t e ms t r u c t u r e s ，d e v i c em o d e l i n g ，c i r c u i t sd e s i g n & s i m u l a t i o n ，c h i pt e s t ，e t c i nt h i sp a p e r ，d i 虢r e n ts t m c t u r e so fm u xa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di nd e t a j l ，a 1 1 dm e n ，ap r o p e ro n eo f 2 ：1o r4 ：1m i w h i c hi s 矗t t e dt ob eu s e do v e r10g b s ，i sd i s c u s s e d m o r e o v e r ，am u xs 仃u c t u r ew i t ht h e c l o c ks u p p l i e db yaf r e q u e n c yd o u b l e ri sf i r s t l yp r e s e n t e d s o m ea t t e n t i o n sf o rc i r c u i t sd e s i g n e rt ot h ed c ，a c ，a n dl a l 苫es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so fg a a sp h e m t a r e p o i n t e do u ta j l d i 1 1 u s 订a t e db yo m m i ce d 0 2 a ht e c h n 0 1 0 缈m i c r os t r i p s ，g r o u n d e dc o p l a j l a r w a v e g u i d e s ，a n dc o u p l e dm i c ms t r i p sa r ea l s od e s c r i b e di ns o m ed e p t hf o rt h eu s ei nu l 仃ah i g hs p e e d i n t e g r a t e dc i r c u i t s i n t h i sp a p e r ，a2 ：1m u xw i t ht h ec l o c ks u p p l i e db yaf r e q u e n c yd o u b l e ra j er e a l i z e dw i t ho ，i m i c e d 0 2 a ht e c h n o l o g ya n ds c f l ，a n di t st e s tr e s u l t sv e r i 对t h i ss t r u c t u r ep r a c t i c a b l e f u r t h e r m o r e ，a n o t h e r 2 ：1m u l t i p l e x e r ( w i t h o u t 行e q u e n c yd o u b i e r ) ，a j l df r e q u e n c ym u l t i p l i e r ，a r ea l s or e a l i z e di n d e p e n d e n t l yw i t h t h es 锄et e c h n o l o g y n et e s tr e s u l t so ft h e2 ：1m u l t i p l e x e ri m p l yt h a tt h i sc h i pc a nw o r kl e a s t l ya tt h e s p e e do f 2 4g b s f o rt h ec h i po f6 - e q u e n c ym u l t i p l i e r ，2a n d16 t i m e so ff r e q u e n c ym u l t i p l i e rw i t h2 3g h z o u t p u ta r eb o t hg o t t e nb yt e s t a tl a s t ，b ya f p l y i n gm a t c h i n gm e t h o d su s u a l l yu s e di nt h e6 e l d so fr f ( r a d i of r e q u e n c y ) a n dm w ( m i c r o w a v e ) c i r c u i t s ，as e l e c t o ri sd e s i g n e dw i t ho m m i cd 0 1p ht e c h n 0 1 0 9 y t h i sc h i pc a n 如n c t i o nw e l l a tt h es p e e do f 8 0 ，9 0 ，a n d1 0 0g b s i nc o n c l u s i o n ，m a n yc r e a t i v ew o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i p l e x e r ( i l ) ；t r a n s i s t o rm o d e l i n g ；f r e q u e n c yd o u b l e r ； t r a l l s m i s s i o nl i n e ；s o u r c ec o u p l e df o l l o w e dl o g i c ；m a t c h i n g i i i 插图 插图 图1 1光收发机1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图 图 图 图 一6 7 8 9 串行结构复接( a ) 原理；( b ) 时序5 并行结构复接器( a ) 原理；( b ) 时序6 与非门扇入的减小7 树型结构的4 ：1 复接器( a ) 原理；( b ) 时序7 2 ：1 复接器结构( a ) 简单复接器；( b ) 简单复接器时序9 ( c ) 改进的复接器；( d ) 改进的复接器时序 t 2 延迟( a ) 原理；( b ) 时序1 0 实际中的半速率复接器( a ) 原理；( b ) 时序11 超高速4 ：l 复接器( a ) 二分频器结构；( b ) 二倍频器结构11 其他结构4 ：1 复接器( a ) 结构一；( b ) 结构二；( c ) 结构三；( d ) 结构四1 2 图3 1有源层示意图1 6 图3 2 耗尽型晶体管直流特性( w = 6 1 5 “m ，v g s m a ) ( = + o 6 vs t e p = 0 1 v ；v d 。：v ；i d 。：m a ) 1 7 图3 3晶体管特性( a ) v t 分布曲线；( b ) v t 和i d s 关系曲线1 7 图3 4 晶体管小信号模型18 图3 5多叉指晶体管结构1 9 图3 6晶体管大信号模型：2 0 图4 1微带线2 6 图4 2 接地共面波导( 衬底平面接地) 3 0 图4 3耦合微带线( a ) 奇模静态电容；( b ) 偶模静态电容3 3 图5 1复接器整体结构3 9 图5 2 输入缓冲一4 0 图5 3 5 0 q 电阻和电容并联输入匹配曲线4 0 图5 4数据锁存器4 1 图5 5主从触发器( a ) 原理；( b ) 时序4 1 图5 6选择器( a ) 电路；( b ) 单端共源放大器；( c ) 微分波形4 2 图5 7二倍频( a ) 电路；( b ) 时序4 3 图5 8 时钟驱动、输出电路( a ) 驱动电路；( b ) 输出接口4 4 图5 9 数据驱动( a ) 电路；( b ) 负载电路4 4 图5 1 0数据输出接口( a ) 电路：( b ) 等效差分对负载4 6 图5 11版图( a ) 数据输出接口：( b ) 数据锁存器4 7 图5 1 2 数据锁存器时钟树4 9 图5 1 3 内部提供二倍频时钟的2 ：1 复接器芯片照片5 0 图5 1 4二倍频输出( a ) 频谱；( b ) 示波器波形5 1 图5 1 5复接器输出波形5 1 图6 1 2 ：1 复接器电路结构5 4 东南大学博士学位论文 图6 2输入接口( a ) 电路：( b ) 输出波形5 4 图6 3锁存器5 5 图6 4 d 触发器仿真波形5 6 图6 5选择器5 6 图6 6选择器输出结果5 7 图6 7驱动缓冲器输出波形( a ) 第一级输出；( b ) 第二级输出5 8 图6 8输出接口5 8 图6 9传输线电感( a ) 阻抗圆图；( b ) 电感量和q 值曲线5 9 图6 1 0仿真输出结果( a ) 加入电感时输出波形；( b ) 加入电感时输出眼图6 0 ( c ) 没有电感时输出波形；( d ) 没有电感时输出眼图 图6 1 1时钟树布局6 1 图6 1 22 ：1 复接器芯片照片6 2 图6 1 3测试结果( a ) 时序；( b ) 眼图6 2 图7 1二倍频( a ) 原理；( b ) 时序6 5 图7 2 乘法二倍频器6 6 图7 3倍频电路结构6 7 图7 4 输入匹配s ( 1 ，1 ) 6 7 图7 5输入接口6 8 图7 6 输入匹配s ( 1 ，1 ) ( a ) 单端s ( 】，1 ) ；( b ) 差模s ( 1 ，1 ) ；( c ) 共模s ( 1 ，1 ) 6 8 图7 7后仿真输入接口差模s ( 1 ，1 ) 6 9 图7 8 共源放大器6 9 图7 9改进的异或门7 1 图7 1 0 输出接口7 2 图7 1 1 输出接口负载( a ) 网络结构；( b ) 跨阻曲线7 2 图7 1 2 二倍频器芯片照片7 3 图7 1 39 0 0 转接( a ) 类型一；( b ) 类型二7 3 图7 1 4 终端接地微带线电感阻抗圆图7 4 图7 15 二倍频与v c o n 关系曲线7 5 图7 1 62 3 g h z 测试结果( a ) 二倍频频谱；( b ) 二倍频波形；( c ) 十六倍频波形7 5 图8 18 0 g b s 复接器7 9 图8 2输入接口拓扑结构8 0 图8 3输入接口电路8 1 图8 4 输入接口差模s ( 1 ，1 ) 曲线8 1 图8 5输入接口传输特性( a ) 增益；( b ) 群延迟8 1 图8 6数据输入接口输出波形8 2 图8 7时钟输入接口输出波形8 3 图8 8匹配形式( a ) l 型匹配；( b ) t 型匹配：( c ) 兀型匹配8 3 图8 9 选择器和输出匹配电路8 4 图8 1 0 选择器芯片8 5 图8 1 1 接地共面波导s 参数8 5 图8 1 2 图8 1 2 仿真结果( a ) 、( b ) 8 0 g b s 波形、眼图8 6 ( c ) 、( d ) 9 0 g b s 波形、眼图： ( e ) 、( f ) 1 0 0 g b s 波形和眼图 x 表格 表格 表4 1e d 0 2 a h 衬底参数2 5 表4 2各频率上的趋肤深度。2 6 表4 3频率为1 0 g h z 时微带线参数：。2 8 表4 4频率为2 0 g h z 时微带线参数2 8 表4 5频率为4 0 g h z 时微带线的参数2 8 表4 6不同特征阻抗下的微带线截止频率3 0 表4 7时域、频域参数( 方仁1 0 ) 3 1 表4 8时域、频域参数( 产2 0 ) 3 2 表4 9时域、频域参数( d 仁3 0 ) 3 2 表5 1并联峰化补偿。4 6 表5 2e d 0 2 a h 工艺电流密度4 8 表5 3最大金属间电压4 8 x 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈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：日 期： 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：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 光纤传输网是电信网的骨干部分，它为整个网络所承载的各类业务提供传输通道和转接平台。 提供高速率、大容量的传输通道始终是光纤传输网的一个重要任务。从t d m ( 时分多址) 技术的发 展来看，s d h 技术出现以来，传输速率为s t m 1 4 1 6 的设备先后研制成功并投入应用，到了s t m 一6 4 曾经出现过一些争论和犹豫。但是事实证明该项技术在技术成熟程度和性价比方面都有很大优势， 也在世界范围内得到广泛的应用。 2 5 g b ss d h 的光纤通信系统已被广泛应用。1 0 g b s 的s d h 传输平台，代表着当今实用光通信 设备的最高水平，必将成为我国信息高速公路的主干。但是，目前国内的光通信关键设备主要依赖 进口。因此，开发具有自主知识产权的光纤通信用集成电路芯片，对推动民族光通信产业的发展意 义十分重大。并且，光通信传输系统关系到整个国家的信息安全，对其进行深入的研究、实现国产 化，为国防事业做出贡献都有着深远的意义。国内同仁们已经在1 0 g b s 以下的光传输模块关键芯片 开发方面做出研究，并且取得一些喜人的成果1 1 ， 引。但是，距离产业化还有一定距离，还需国内科 技工作者不懈的努力。 随着通信和计算机技术的迅猛发展，出乎人们的预料。国际通信信息业正在发生前所未有的重 大变革，这场变革几乎遍及通信的每个领域，对光通信的影响更为重大。随着通信业务特别是i p 业 务的“爆炸式”发展，通信业务的增长、一体化和多业务接入的需求无疑会刺激和推动优势就在于能 提供“无限”带宽的光通信技术的发展。从网络应用看，带1 0 g b s 接口的路由器已经问世，并且，路 由器间的突发性i p 业务量还在迅速增长。为了提高核心网的效率和功能，希望单波长内能处理多个 数字连接，因此，核心网的单波长速率向4 0 g b s 乃至更高速率的演进是必然趋势f 4 】o 目前，全球光 传输网的智能化建设在升温；超长途和超高速系统开始引入网络：4 0 g b s 超高速试验网建设开始起 步。 国内虽然在4 0 g b s 的光传输系统做出一些研究，并且取得一些实质性的进展【5 】。但是，光传输 设备中的基础芯片完全依赖进口，还不拥有独立自主知识产权。为了迎接具有高速率、大容量、长 距离、智能化、多业务、网络化等特征的下一代光传输网1 6 j 的到来，实现独立自主、完全国产化的 光传输系统，需要战略性的眼光，在光传输关键芯片上进行基础性研究。目前，光通信市场在经历 低谷之后，呈现良好的上升势头，在这充满机遇之际，抓住机会，使得国内的光通信产业在下一代 传输网中，登上世界舞台。可以这么认为，下一代光通信将面临前所未有的发展契机，当然，也将 面临巨大的技术上挑战和困难。 光传输系统中，最核心设备为光收发机。图l 一1 为光收发机示意副7 1 。该图中的发射端，复接 器( m u x ：m u l t i p l e x e r ) 将多路低速数据信号复接成一路高速数据信号，激光驱动器驱动激光二极 管将电信号转换为光信号后通过光纤传输：在接收端，光信号由光电二极管转化为电信号。微弱的 电信号经过前置放大器和主放大器放大后，由时钟恢复和数据判决电路分别恢复出时钟信号和数据 信号。最后由分接器把高速信号还原成原始的多路低速信号。 图1 1 光收发机 东南大学博士学位论文 在光通信系统中，为了扩大传输容量和提高传输效率，常常需要将若干个低速数字信号以数字 复用的方式合成为一路高速数字信号，然后再通过高信息容量的光纤传输。数字复用就是实现两个 或两个以上支路数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号的过程，完成这个功能的模 块称为复接器，见图1 1 中的阴影部分。由该图看出，光传输系统中，复接是重要的单元之一，其位 置处于光发射机的最前端。目前，单路光纤所能传输信号的容量达到t b s ，而电部分所能处理的速 率却只有g b s 量级。复接器实现低速到高速转换，是多速率系统，尤其达到1 0 g b s 以上速率的复接 器，在器件模型、电路设计、测试、封装等方面都有很大的挑战性。 当前，起步不久的国内超高速集成电路设计，受到可获得集成电路工艺限制，主要采用c m o s 工艺。虽然c m o s 工艺成本低、集成度高、功耗小，但受到工作速度的限制，很难实现1 0 g b s 以上 的复接器芯片【1 ，2 ，3 1 。不过，随着c m o s 工艺特征尺寸的减小( 如0 1 3 “mc m o s 工艺) 、晶体管特征频 率的提高，利用c m o s 工艺设计出更高速率的芯片成为可能。目前总的来说，国内对大于1 0 g b s 复 接芯片的研究还是空白，更不用讲8 0 g b s 。 在国外，光传输关键芯片研究已经有一定的基础，层出不穷的新工艺，使得复接器芯片已经达 到4 0 g b s ，9 】以上，甚至达到1 0 0 g b s 1 1 0 】。国内复接器研究要想赶上世界的前列，形势比较严峻，还 需一段路要走。不过，目前实用4 0 g b s 光通信产品还不完全成熟，还需要进一步完善、发展，给国 内研究提供喘息的机会。 在上述背景下，本课题对大于1 0 g b s 超高速复接器芯片进行研究和设计。通过法国c m p ( c i r c u i t m u l t i p r o i e c t s ) 多项目晶圆服务中心获得的法国o m i c 公司砷化镓p h e m t 工艺，本课题才得以顺利 展开。论文中所设计的芯片都利用此工艺流片。论文中设计的复接器速率至少2 4 g b s ，1 2 j ，填补了 国内在此领域的空白。论文中，把射频、微波匹配技术应用于超高速集成电路中，突破晶体管特征 频率的限制，设计出了8 0 g b s 选择器i l3 | ，提高了国内研究水平，步入世界行列。 1 2 课题来源 目前国内芯片业如火如荼的展开，大大小小芯片设计公司如雨后春笋般涌现，国家更是高瞻远 瞩，以战略性眼光对光通信关键集成电路的设计给予大力支持。本论文及其研究课题来源国家高技 术研究发展计划( 8 6 3 计划) “光电子材料及器件”主题项目10 4 0 g b s 光收发关键器件芯片技术研 究( 编号：2 0 0 1 a a 3 1 2 0 6 0 、2 0 0 3 a a 3 1 9 0 3 0 ) 。 1 3 研究内容 国内前人主要应用c m o s 工艺设计1 0 g b s 以下速率的复接器，针对于更高速率的复接器，还没 有人研究。随着工作速率的提高，器件模型要求更高，芯片内寄生参数的影响更为显著，芯片的版 图更容易引起不确定性，使得超高速复接器的实现更为困难。因此，1 0 g b s 以上速率的复接器，在 器件模型、电路设计、仿真算法、测试等方面都需要深入地研究和探讨。论文中，对超高速复接器 的研究过程是循序渐进、逐步深入地进行的，所研究的复接器至少工作于2 4 g b s 。论文中所说的超 高速，都是指大于1 0 g b s 的速率。 复接是把多路低比特率数据复接到一路高速比特率数据，复接器是多速率系统，芯片内部电路 单元工作在不同的速度等级上。因此，需要对不同速率单元分别加以优化，提高系统的整体性能。 论文的第二章中，深入分析了串行、并行、树型以及组合等类型的复接结构，还深层次地探讨最难 实现的超高速2 ：1 和4 ：l 复接结构，给出适合大于1 0 g b s 速率的复接结构。这一章中，还深入研究了传 统分频器提供时钟的复接结构，首次提出二倍频提供时钟方案，降低了光传输系统的复杂度。 目前国内，还没有适合超高速集成电路应用的成熟工艺。因此，本课题通过法国c 脚获得o m m i c 公司的砷化镓( g 狄s ) p h e m t 工艺进行研究。随着工作速率的提高，器件模型要求更高。所以，第 三章以e d 0 2 a h 工艺为基础，深入分析晶体管直流特性、小信号模型以及大信号模型，给出在超高 2 第一章绪论 速复接器设计中需要注意的晶体管模型问题。 随着应用频率的提高，信号在介质中传播的有效波长，可以和芯片内金属走线长度相比拟，导 致分布效应显著，使得超高速复接器中关键的长互联线需要采用分布参数模型。此外，e d 0 2 a h 工 艺中电感模型只能工作于2 5 g h z 以下，不适合超高速复接器中的应用。因此，第四章中，给出适合 集成电路工艺实现的微带线、接地共面波导、耦合微带线等传输线形式。在这一章中，还阐述了适 合超高速集成电路应用的全波分析建模方法，以解决集总元件和分布元件并存时的仿真问题。最后， 第四章中还分析了传输线的不同终端负载形式在超高速集成电路中的应用，如：实现电感。 第五章中，利用法国o m m i c 公司0 2 岬g 啦sp h e m t 工艺( e d 0 2 a h ，疗为6 0 g h z ) ，实现二倍 频器提供时钟的2 4 g b s 复接器。该芯片中，二倍频采用改进异或门拓扑结构，避免传统复杂锁相环 的设计，降低系统复杂度；应用源极耦合电容的微分作用，加速晶体管开、关转换，提高选择器工 作速度。通过芯片的测试结果可知，运用该工艺，可以实现2 0 g b s 以上速率的超高速芯片，并且， 二倍频提供时钟的复接器方案切实可行。 在第五章的基础上，第六章对超高速2 ：1 复接器进行更深入地研究，并进行流片。对源极电流耦 合电容电路进一步的分析，使其在数据锁存器中得到应用。应用传输线实现的电感，在输出接口电 路中进行并联峰化补偿，取得较好效果。芯片版图中，应用接地共面波导、耦合微带线、耦合共面 波导等传输线形式，保证了时钟链路模型的有效性和精确性。利用这一章提出的测试方法，突破多 路超高速信号源要求的限制。该芯片的测试结果表明，芯片至少在2 4 g b s 速率上完成复接功能。 在第五章的二倍频器基础上，第七章研究了二倍频器的另外一种实现方法。这一章中设计的二 倍频器芯片，主要应用在 4 0 g b s 多级复接器( 如4 ：1 复接器) 中，给高一级复接提供 2 0 g h z 的时钟。 该芯片的测试结果表明：利用异或逻辑电路进行非线性变化，在电路上结合微波集成电路的优点， 实现的倍频器不仅实现二倍频功能，还能实现更高阶的1 6 倍频。 第八章中，分析了适合4 0 g b s 以上速率的复接器结构，利用最新获得的g a a sp h e m t 工艺 ( d 0 1 p h ) ，对最为核心的选择器进行芯片设计。这一章中，结合射频、微波匹配滤波器的设计方法， 提出适合超高速集成电路应用的宽带匹配网络( 即l 型( 即并联峰化) 和冗型结合的匹配网络) 。 这种匹配方法，不仅解决超高速输入接口问题，还可以应用于选择器负载中，直接驱动5 0 q 等效电 阻，使得选择器可以在8 0 g b s 、甚至1 0 0 g b s 上都能正常工作。 第九章，总结全文。 概括地说，论文主要在以下方面做出创新性的工作： 首次提出倍频器提供时钟的多级复接结构。 把射频、微波、毫米波等领域中经常用到的传输线引入超高速集成电路的设计中，如：实 现电感元件。 应用全波分析方法解决复杂结构的传输线模型问题。 源极电流耦合电容在超高速电路( 如：选择器、锁存器) 中的应用，提高电路工作速度。 利用源极电流耦合电容的异或门电路实现二倍频功能。 设计出至少工作在2 4 g b s 速率的2 ：1 复接器芯片。 利用t 2 延迟、改进异或门实现的倍频器，不仅能进行二倍频，还能进行更高阶偶次倍频。 给出适合8 0 g b s 的复接结构。 同时应用l 型和兀型匹配网络，解决超高速电路中的输入、输出宽带匹配问题。 利用上述匹配方法，设计出至少在8 0 g b s 上工作的选择器芯片。 参考文献： 1 郁炜嘉，朱恩，熊明珍，王志功0 1 8 肛mc m o s1 0 一g b s4 ：1 复接器芯片设计 c 江苏省研究生 通信年会，2 0 0 3 年1 2 月 东南大学博士学位论文 2 张立国，冯军，陈明洁等0 1 8 岬c m o s1 0 g b s4 ：1 复接器集成电路设计 j 微电子技术，第 3 1 卷第6 期，2 0 0 3 年1 2 月 3 z h a l l gc e n a n ，s o n gq i - f e n g ，w a n gz h i g o n g 2 5 g b s1 6 ：1m u xi cd e s i g nw i t hc m o s j 】半导 体光子学与技术( 英文版) ，p 2 3 3 2 3 6 ，2 0 0 4 年1 1 月 【4 韦乐平下一代光通信技术的发展【j 世界电信，2 0 0 2 年0 7 期 5 孙杰贤c e m e t 试水4 0 9 光传输能否再次起飞? 【j 通讯世界，2 0 0 5 年0 2 期 【6 张海懿下一代传送网的技术发展趋势浅析 j 】 h 郇：c o m m c c i d l l e t c o “p u b a n i c l e c 1 7 1 2a 2 1 4 3 7 1p 1 h 仃n l ，2 0 0 5 年0 2 月2 2 日 7 b e h z a dr a z a v i d e s i g no fi m e g r a t e dc i r c u i t sf o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s m c g r a w h i l l ，2 0 0 3 【8 m u r a t ak ，s a i l ok ，k i t a b a y a s h ih ，e ta 1 10 0 g b sm u l t i p l e x i n ga n dd e m u i t i p l e x i n gi co p e r a t i o n si n i n ph e m tt e c l m 0 1 0 9 y j s 0 1 i d - s t a t ec i r c u i t s ，i e e ej o 啪a lo v 0 1 u m e ：3 9 ，i s s u e ：1 ，j a n 2 0 0 4p 2 0 7 2 1 3 9 s 鲫ok ，m u r a t ak ，s u g i t a n is ，e ta 1 5 0 一g b s4 - bm u l t i p l e x e r d e m u l t i p 】e x e rc h i ps e tu s i n gi n p h e m t s j s o l i d s t a t ec i r c u i t s ，i e e ej o u m a lo ev o l u m e3 8 ，i s s u e9 ，s e p t 2 0 0 3 ，p a g e ( s ) ：1 5 0 4 - 1 5 11 1 0 k e l r e rd ，w o h l m u mhd ，w u r z e rm ，k n a p ph 5 0g b i t s2 ：1m u l t i p l e x e ri n0 1 3 s p lm u mc m o s t e c h n o l o g y j e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v 0 1 u m e4 0 ，i s s u e2 ，2 2j a n 2 0 0 4p a g e ( s ) ：10 0 101 11 杨守军，王志功，朱恩，冯军，熊明珍，夏春晓2 4g b i 佻0 2 岬p 皿m t 复接器东南大学学 报( 自然科学版) ，第3 4 卷第三期，2 0 0 5 年5 月，d 2 8 9 2 9 2 【1 2 】杨守军，王志功，朱恩，冯军，熊明珍，夏春晓2 4g b so 2 岬g a a s p h e m t 2 ：1 复接器，电 路与系统学报，v 0 13 4 ，n o3 ，m a y ，2 0 0 4 ，p2 8 9 2 9 2 13 】s h o u j u ny a n g ，z h i g o n g ，a n g ，e nz h u ，j u nf e n g ，m i n z h e nx i o n g ，o 15 mp h e m t8 0 g b ss e l e c t o r ， t h e7 t 1 1i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i d - s t a t ea n di n t e 黟a t e d c i r c u i tt e c h i l o l o g y ( i c s i c t 2 0 0 4 ) ，o c t o b e r2 0 0 4 4 第二章复接结构 2 1 引言 第二章复接结构 复用技术被广泛应用在通信系统中，如时分复用( t d m ) 、频分复用( f d m ) 、码分复用( c d m ) 以及波分复用( w d m ) 等等【l ，2 j 。其主要作用是扩大通信容量，提高传输媒质的利用率。本文研究 的是光传输系统中时分复用，按位复接，类似于通常所说的并串转换。 复接是把多路低比特率数据复接到一路高比特率数据，内部电路单元工作在不同的速度等级 上。复接器是多速率系统，需要对不同速率单元分别加以优化，以提高系统的整体性能。v l s i ( v e n ， l a 唱es c a l ei n t e g r a t i o n ) 设计中的速度、面积优化原则f 3 ，4 1 ，也可以应用于复接器的设计中。复接器 系统结构主要分为串行结构、并行结构、树型结构，以及这三种结构的组合结构。通常来说，这三 种结构工作速度由高到低的顺序是树型结构、并行结构、串行结构。 超高速复接器集成电路，尤其大于1 0 g b s 、最高速的4 ：1 和2 ：1 复接器最难实现，其复接结构需 要深入地研究。这一章具体地分析复接器不同的系统结构，给出适合大于1 0 g b s 速率的4 ：1 和2 ：1 复接 结构。第二至五节深入分析串形、并形、树形以及组合等复接结构。第六、七节，分别对最难实现 的超高速2 ：1 和4 ：1 复接器进行深入探讨，并给出适合超高速工作的复接结构。最后一节，小结全文。 2 2 串行结构 ( a ) d 厂了 一：! _ _ ：二r d 。 一! 一厂_ 可 ：! 二厂_ 一 聃厂可_ _ 一 c a 门厂厂_ c z n ! 厂1 厂 广 厂 一广 厂 厂 厂 跏! 厂_ t 厂_ _ ! ! 厂_ ( b ) 图2 1 串行结构复接( a ) 原理；( b ) 时序 图2 1 ( a ) 为一种串行结构的复接器【5 ，6 1 ，该复接器包括d 触发器、选择器、l 4 分频器和相位 控制单元。图中的d 触发器，不仅使得外部输入数据d l 、d 2 、d 3 、d 4 在时序上对齐，也使得并 行输入数据依次延迟。最后，在时钟单元控制下进行复接，图2 1 ( b ) 为复接时序图。分析图中c 舭 信号波形可以发现，这种结构中所有选择器最快要在一个c k 周期内进行选择输出。4 分频得到的 c 刚4 波形，时钟占空比为2 5 ( 脉冲宽度为输入时钟的周期) ，而不是5 0 ( 脉冲宽度为输入时钟 5 东南大学博士学位论文 周期的两倍) 。根据同步分频原理，意味着1 4 分频器和相位控制单元的内部电路( 主要是d 触发器) 都工作在同一个速度等级上( 即在c k 速率上工作) 1 7 ，8 1 。由此得出，这种结构，除了选择器，其他 所有的单元电路都工作在最高速度上。同一种工艺条件下，电路工作速度越高，意味着需要更大电 流p j 。因而，这种结构无法避免高功耗，只适合低速复接中的应用。另外，d 。由选择器直接输出， 而选择器是组合逻辑，很容易产生毛刺。因此，d 。再通过d 触发器输出，复接性能将显著提高。 4 0 g b s 以上速率的复接器中，用传输线实现图( a ) 中d 触发器延迟功能，可以提高复接速率。 但是，d 触发器的消失，复接器成为完全的组合逻辑，很容易产生毛刺，因此，数据和时钟时序关 系要求更为严格。实际测试中，复接器输入信号较多，即使测试设备能够产生严格对齐的d 1 d 4 信号，但由于连接电缆、测试台、探针、芯片内部走线的不对称、不匹配，很容易使组合逻辑电路 产生毛刺，影响复接性能。其次，延迟传输线的延迟量一定，复接器可实现的复接比特率范围较窄， 不利于实现宽速率工作。再之，所有的d 触发器都要求工作到同样高的速率上，设计困难，即使能 够实现，系统功耗将会很高。不过，传输线比设计延迟d 触发器容