（电路与系统专业论文）集成CMOS低压差分信号接口电路设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

海变j i 亘人学彤! f 学位论文 集成c m o s 低压差分信号接口电路设计 摘要 随着互赋网f | 越黪及，餐式各榉的通信设备瞧f 浙受到潲赞名的欢迎，令数 据传输的需求急剧增加。l v d s ( 低压差分信号) 采用商速模拟l 乜路技术，可确保 镉零线麓够支持子甍像戬 ：静数据传褊。 本文介铡tl v d s 的原理、坍议、电路及版图殴计，对箨电路单元进l ：了仿 真。在发送器电路酸计中，输出级采娟反馈控制的方式稳定发送器的输出共模电 邋。输出缀鳃开关管的孚褥结擒可以保证输爨蠛目的懑抗殴酝，在输如共模电篮 上会出现很大的f 冲，解决这个问题，可以埘输入信号进玎定的处理。l l 于差 分输蹬电压静幅度珏j 电流漾的输出电流柬控镧，丽蕊本电流源的输出不够稳定。 本文在分析了基本电漉漂的罄础乒撼崽了秘输出馕稳定瓣裁型继褥的患滚澡 电路。赴接收端采用一利t 输入共模电压范围火、放大倍数恒定、线路简单的牟i i i 入 毁，并详舞舟绍了比较器电路鞠失效漂移，电辫翳蹬计。最蜃，本文分绥了戴躅设 计时潞要注意的问题，包括器件的咄配、p 1 锁效应的预防以及端口的e s d ( 静电 泄放) 保护。对电路进行了厢仿真，仿真结聚表明发送器在5 0 0 m b p s 、接收器在 3 0 ( n b p s 时工份正零，蘧个电路甄功耗均在i 2 m w 是在。最盖章：玲绍了芯片部 分实测结果并作了总结。 关毽调：低压差分信号c m o $ 集成电隳比较器失效保护数模混合集或电路 湘交通人学坝i 学位论史 d e si g no fc m o sl v d si oi n t e r f a c ei c a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ei n t e r n e tt r e m e n d o u sg r o w t h ，d a t at r a n s f e r s i n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y i na l la r e a so fc o m m u n i c a t i o n s l v d s g u a r a n t e eg b p sd a t at r a n s m i s s i o nb ya d o p t i n ga n a l o gc i r c u i t r y a r e c a n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，p r o t o c o l ，c i r c u i t s ，a n dl a y o u t d e s i g no fl v d sw i t h s i m u l a t i o no fb l o c k s o u t p u ts t a g eu s i n gt h e f e e d b a c kt oc o n t r o lt h ec o i t u t i o n m o d ev o l t a g ei nd r i v e rd e s i g n ag r e a t u n d e r s h o ta p p e a r si no u t p u tc o n l n l o l l m o d ev o l t a g ea l t h o u g ht h eb a l a n c e o fi m p e d a n c ei si n s u r e db yt h eb a l a n c ec o n f i g u r a t i o no fs w i t c ht u b e s p r o c e s s i n gt h ei n p u ts i g n a lc o u l ds o l v et h i sp r o b l e m t h ea m p l i t u d eo f o u t p u td i f f e r e n t i a ls i g n a li sd e c i d e db yt h eo u t p u to f c u r r e n ts o u r c e t h i s p a p e rp r e s e n t s as t e a d yo u t p u tc u r r e n ts o u r c ew i t hn e ws t r u c t u r e i n r e c e i v e r sd e s i g nt h i sp a p e rc h o o s e sa l li n p u ts t a g ew i t he x t e n s i v ei n p u t c o m m o n m o d ev o l t a g e ，s t e a d yg a i n ，a n ds i m p l es t r u c t u r e a l s ot h ep a p e r p r e s e n t st h ec o m p a r a t o ra n df a i l s a f e c i r c u i t si nd e t a i l f i n a l l y , s o m e l a y o u t s i s s u e sa r ed i s c u s s e di n c l u d i n gm a t c h i n go fc e l l s ，p r e v e n t i n g l a t c h u p ，a n de s d t h er e s u l to fp o s ts i m u l a t i o ni n d i c a t e si t i sa l lr i g h t t h a td r i v e ro p e r a t i o nu pt o5 0 0 m b p sa n dr e c e i v e ru pt o3 0 0 m b p s b o t ho f t h e me x h i b i ta p o w e rc o n s u m p t i o no fa b o u t12 m w s o m et e s tr e s u l t sa n d s u m m a r i e sa r ep r e s e n t e di nt h ef i n a lc h a p t e r k e yw o r d s ：l v d sc m o si c c o m p a r a t o r f a i l s a f e m i x e d s i g n a li c 上海交蘧大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保整、使熠学位论文的规定， 圉意学校保留并角国家有关部门或杌梅送交论文鹣复窜件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据摩进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段傺存释汇编本学位论文。 ， 保羞昭，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密门。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 嘲；膨 指导教师签名：湿鳊坠 西期：跏年毋月f 3 日 日期：沪) 年l 月f 夕日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包岔任何其他个人或集体融经发表或撰写过的作晶成果。 对本文的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在文中黻明确方式 标明。本人完全意识至本声骧的法律结果鸯本人承担。 学位论文镗者签名： 嘲：毫 q 日期：文。；年a 月7 岔因 上海交遵大学学位论文答辩决议书 率请 者 胡：南 辩柱学辩 ( 分始)积瓣吗拳舞b 涎文壁戮 集武艺鲢嚣缄廖萎葛 专骂葚。屯畴竣蹿 等辩醅鳓 。驴p 宴盖、i 巷 地点 圈爷谴两嚣 餐瓣黉弱会艨艇 媳慧孳耪鼹稼签嚣 京主蘧工每釜惑炙芬 誉窖文品 垆哼 鼙氲 点；连蠢基丘芬芽b 稳词建二淘瓷氲再替渤一 锚瓤瓿二逦萋缸学菇芝受j 冷菇，避 多通釜邀奢孽 翻瓠摄蓬蝙参 谔语攀 凌竣： 怒二纛囤攀鹣埝文是镁疆豢分蘩哮f l v 鹣) 袋翻噫潞棼冀瓣浚诗。孩葱嚣避。 墩嗣予数獭传送鼬可堆找鬃线瓣，无线麓地台及器多传羧模式( 孵交按器，辩 算静i 用的平麟鼹示器及服努器等，具有厂泛的应用价值。鼹斡仪少数围外大公司 冒热产菇，煮宠难菠。鹾二爨舔学疑咆翳筠惑、壤掇烈凝鹜蔽跨避蕈亍了大量= 王： 体，雩# 为产晶要求还考虑了滋瘦变化、王艺容差、豁件失戮、网镊效应授灞目的 e s d 保护甓瓣题，宠戏了个完整芯片设计艇翳涉及鲶工作。态魄鼹设计中钟鼹 输滋稳定雅点提出新翟继翰灏电瀛深电路。该芯 金帮囊耋设计，芯冀靛滚弱旗 巢弼步证弼竣诗靛j f 确髋。 在谂文答激辩簸述清楚，丽簿勰遥燕蕊。经答瓣爱爱安薏谶名羧鬃，鼗淡 恣透过论文豁海，建议棱学位谮建委爱会授予鲻_ ：蹴潮学= 学辍士学链。 袅珊娥避： 蛰辩蚤剃! 办昌) 2 # # 墨镡基臻| 羞l j 海交通人学f 积i 。学位论3 ：c = 1 1l v d s 的背景 第一章i , v d s 技术简介 l v d s ( d ) wv o l t ；a g ed i f f e r e n t i a ls i 印a l i n g ) 是一种低摆幅的差分信号技术，它 使得信号能在差分p c b 线对或平衡电缆上以几百m t p s 的速率传输，其低压幅和 低电流驱动输h j 实现了低噪声和低功耗 1 j 。 几十年术，5 v 供电的使用简化了不同技术和厂商逻辑电路之间的接口。然而， 随着集成电路的发展利对更高数据速率的要求，低压供电成为急需。降低供电电 压1 i 仅减少了高密度集成电路的功率消耗，而且减少了芯片内部的散热，有助于 提高集成度。 这种高性能的要求举不胜举，消费者无论在办公室罩和家咀都迫切需要实时 的或视频的信息，他们包括移动视频、二维动画、以及摄像机到计算机的视频数 掘流，局域刚、电话、卫星系统和家用机顶盒等领域的数据传输，从板到板或从盒 到盒问移动数据，既要求高性能，又要避免引起额外的噪声，同时，功耗和成本又 要尽量小。 减少供电电压和逻辑电压拱幅的 个极好例子是低压筹分信号( l v d s ) 技术n 它允许单通道内传输几百b p s 的速率，l v d s 物理接l j 使用1 2 v 偏置提供3 , q o m v 摆幅的信号。l v d s 驱动器和接收器不依赖于特定的供电电压，因此它很容易辽移 剑低r k 供r 乜的系统中去，而性能不变。 1 2l v d s 的优点 l v d s 具有许多优点：终端适配容易：功耗低；具有失效保护( f a i l s f e ) 特性确保可靠性：低成本：高速传送。这些特性使得l v d n 在计锌机、通信 设备、消费电子等方面得芋0 了广泛j 娅用。 以上述的应用方案来说，系统内及系统之间的资料均以极高的速度进行传 输。我们称系统内的数掘传输为”系统内的力式”。这是l v d s 解决方案的主要用 途。在系统之间进行的数据传输则称为”系统之川的方式”。这种传输方式需要符 合i e e e1 3 9 4 、f i ) r ec h a n n e l 、以及千兆位以太网等标准通信协议。若采用系 统删的协议进行系统内的数据传输，软硬件方面的成本丌支便太昂贵，因此设 计简单而成本较低的l v d s 链接便成为檄具吸引力的另类选择。i n d s 解决方案除 了可以支持电路板内的数据传输外，也可确保电路板、模块、机架、机柜或机箱 与机箱之间口，以进行数据传输。传输介质包括铜缆或印制电路板( p c b ) 电路。低 海交通人掌f l j j il 学值论空 电压信号具有莰速翡位传狳率、较燕麓功率| 曩及更少懿噤声 二魏等幸芄点。篓予运 兰个原胤，我f f 必须采鲻低f 龟压信弓。 系统漫计工程拜一向采耀全绉箍的c m o s 及l v l 下l 逻辑电蘧，但淹麓位传输 攀的提高，这些解决方案显得毫无吸引力。l v d s 姆电愿摆幅减低至3 0 0 m y 左右， 默超强遮方砸赡优势。谗多久以为臻低惫压摆疆会减骶撩声赛陵。为了攥离抗嗓 声干扰能力及噪声容限，l v d s 便采用筹分信号传输技术。荠分信号不会受共模 噪声载手抗，共禳疆声楚系绫啜声懿主绥柬滚。 由予逻辑状态之闽只煮3 0 0 m y 麴电毯麓裂，润就电压变化缀抉。弱优点是 冰 霆信号瓣电位迅速转袋，但转换速率s e w r a t e ) 不会鹰莰。由予转变速度藏强， 辐射场的强度也大幅减弱。此外，出于转变速度减慢，传输路线阻抗不连续性的 反对逛不会残是大逮透，育秘城壕电渡鞴瓣量及审音的、 j 撬。 由予诋奄愿摆辐”f 戬减低终瀛电疆器黪电瓜，因此可减低其功率溶耗，按苦 之，也骞鼢溅骶憋体的功耗。 粥1 ，1l v d s 物理骚 f i g u r e1 。1p h y s i c a ll a y e r o f l v d s 图1 1 所鼹示的电路结构与l v d s 物蹦层结构相同 2 。驱动器只有个i 乜源， 皴离静电流赫出大约只有3 m a ，蔼开关鑫剃箍供终端 乜黼器的驱动电流。这个蓑 分凝动嚣粟藤奄数攘式( o d d m o d e ) 熬黄簸方式，按舂之，等量及方秘穗及豹电流 ：分掰在转输线燎上传送。电流会蕊耨网流到双绞线内，船上电流环路西积较小， 跚此产生最少电磁千扰。 乜源将供电加以限制，以免转变时产牛突变电流。山于 并无突变邀流感蕊，因武数凝传输速度褰，瞧义蠢i 会大骥凄黧功耗。诧努，洹漉 濑动器的输出可以容许传输线路臻壬强短路情况或搂地，褥且邵使这样也不会产生 毅热上熬翊遥。 差分接收器是一款商阻抗芯片，可以枪测小至3 0 m y 的差分信号，然后将这 2 麓信号放大，以至达委轹猴逻辑电覆。由予差分编号具有l 。2 v 懿蔌型驱动器 偿电- 匿，而接收器可以接受由接地至2 t v 的输入电压，因此r 可阻抑制高达l v 来自传输线路的共模噪声。 此外，l v d s 驱动器及接收器l u 以带电插入，因为恒瀛式驱动不会对系统造 成任何损害。绥收器麓弱一优点是其高度安全性，当输入g 脚均处j 二浮动状态时， 接收器的失效保护功能可吼防止输出出观振荡。 1 3l v d s 鼹发震 存高速系统内部、系统背板互连和电缆传输应川中，驰动器、接收器、收发 嚣、并串转换爨审著转换器以及其它l v d s ( 低电压差分信号) 器件鹣应用i e 只益 广泛。接口芯片供应商币报进i y i ) s 作为下代基铀设漉的基本梅造禳块，以支 持手机基站、中心局交换设备以及网络主机和计算机、工作站之问的互连。 l v d s 的发腱不断衍生出务种新技术，而新技术的嘲世又进一步将l v d s 的 应用范函扩大。总线低电压蓑分信号传瓣( b l v d s ) 技零缓是第一静电l v d s 褥枣 舸来的，其优点是采用l v d s 以支持通过印制电路板或电缆传输资料的总线多站 式及多点应用方案。b l v d s 芯片采用与l v d s 相同的电路简图，唯不同的地方 是b l v d s 。西片可涛输出骆动电流提裹至l o 越，以便可以驱动线萎珞题竣均设商 终端装置的双向总线。薛霞为驱动器输出稳供与线阻抗相匹配的输出阻抗，隧减 小驸动器的输出反射。 b u st o p o l o g y 多点债输 幽1 2 总线的线路布萱 f i g u r e1 2b l v d st o p o l o g y 圈1 2 的麓一及第二个总线漫计显示多站式的配爨。第 种配嚣采用单向的 海交通人学帧 学位论义 竣诗，两采翅这个设谤筠总线只要在其皆赣热爱鹱动器，每一已连接薛接浚替 玎减低负载总线的阻抗。蓿耍确保总线线路靠置麓够支持高速传输，僵必须尽纛 缩短每一接收嚣的非终端线头，以确保线头的反射可以减至最少。阁中的第二个 总线是多谴式传输总线，其线路奄嚣与第一个曩i 同，多站式总线的设计方镬驱动 器出总线中心两嚣两端驱动。这个设跨有翳于减低将信号出驱动嚣健送至接收器 的时间，但总敞的两端则必颁装设终端电阻器，以免产，k 反射。从驱动器的位胃 来说，这两个终端电阻可蜕以平行方式遴接一起，蚓此驱动器必须输出多一倍n 勺 电滤，蠢1 ，虿将这个总线麓差动电压囊动至与麓蕾蕊多站式总线褶商鹣电位。图串 的第三个总线由于磴有多个驱动器及接收器( 统称收发器) ，因此称为多点双鼬 总线。若以能否充分发挥效能作为标准米衡量，这类总线最难设汁，因为不同的 鞭动器位覆会产生不曩粒反射，两实际煎反翳需视乎信号国总线哪个笾轰发臻。 褥显总线懿两蠛必须装浸终灞装置，以免产生反射。 最后要讨论的是f | j j 仍未成为标准接口的6 l v d s 【3 3 。倡议制定各种低电腿 接【 拘；准的j e o e c j ( ：一1 6 ( l o wv o l t a g e h i g hs p e e di n t e r f l a c es u b e o r a m i t z e e ) 婺受会鼙漪疆考毒赣g d s 犊疆技术麓定一套搽濑。该委员会爱在弹缀碌究豁 个标准刚果嗣0v 0 jv 的发送嚣输出电压以及1 0 0m v 以上的接收器输 入灵敏度。由于发送器的输出电压极低，因此接口的功耗电极低。6 i 。v d s 技术也 蠢勇一个嚣蛰黧要静优点。采用这秘技零豹芯片馨楚，洪毫电压大不糟嗣( 高餮 s v 及诋至0 。5 v ) ，但仍可互稿通信，嚣为这些电滚供应均采霹接避作为共同的 参考电压。拱i 司接地电压是g l v d s 信号用以进行作业的共同电压。 总丽言之，低电压差动信号传输技术将会不断向前发展，丽且趱柬越多的系 统废霜方案将会采臻这释按术。显然采蹋l v d s 技零竣应鬟方寨农豁分应嗣蕊蕊 - ：稿重叠，但这些应用方察也各有专长。例如传统的标准l v d s 最通糟于驱动采 用铰短互连电路的应用方絮。此外，传统的标准l v o s 技术也最适用于绝划不能 受电磁_ _ 二撬转瞧鼹魏曼承器技术。 b l v d s 技术最适矮予鞲动大量受载瓣基架，铡如电信系统基絷。b l v i ) s 技术 电适川于需要将信号从一个驱动器发送到多个接收器的应用方案。此外，队v d s 技术也可用以默动设有总线鲍几米长电缆。 g 3 t j s 技术最透焉予投低功率款应鼹方案蠡远程罄邈台。这静投术党其可支 持利用砸力娥太阳发电的低功率远程基地台，以便捺地台，叮以自己提f j l 局部供 电。g l v d s 技术也适用于极短距离的芯片互连。g l ，v d s 的最主婴功阁足，4 以为聚 鼹 v 班下供 瞧豁芯骂提供曩连。 洳交通人学倾1 1 学位论史 i ，4 工槔环境 1 a ，1 工艺选撵和简介 接口电路可以用多种工艺来实现，如c m o s 、b i p o l a l 7 、b i c m o s 或( ；，凰工艺。 ( ；。m 工z 一般用于高频( 数( ；i l z ) 高性能的应用场合，代价较高。在其他常用工 慧中，穑嗣 主况下取稷型( b i p o l a r ) 嚣臀的速疫要魄e 辩s 器件抉豹多。僵是 c m o s 工艺比戳p o l a r ：艺的集成度要太滋多，丽且c m o s 工艺具有较少粒工艺步 骤，所以采用c m o s 工艺意咪祷更小的芯片面积和成水。就l v d s 电路的设计柬院， c i 0 s t - 艺与b i p o l a r 工艺捆比较也有优势，c a o s 王艺设计的电路功耱更小、l 司 以全电压摆旗埝趣，露且耩。s 管撵为逻辑行关时琴会圆为键耧工作荫影晌速度。 迭i 为双极型器件是电流驱动器件，它的正常工作需要直流和交流电流束1 5 l i f 动，所以双极趔电路比c m o s 电路有更大冉勺静态功耗和动态功耗。不过在频率很 蕊野c m o s 电鼹麓寄生电容菲鬻丈，这对( 太子8 0 0 m h z ) c r 0 s 电路的动态功耗趣 过双极型电路。隧为c m o s 电路具有互 l 、的n m o s 和p m o s 并工作在开关状态，它 可以输出全摆幅的逻辑信号。用b i p o l a r 器件设计驱动溅丌关电路时，出于j 三极 管的饱和会限划电路的工作频率。例如用一个n p n 管作为玎关管，当它的摹极为 赢电乎时，寮电强输出低电乎，当集龟投惫平舔于基搬时三裰管键帮，夫量静载 流子集聚在恭椴，当逻辑翻转时首先要去除这些载流子，因而限制了电路的工作 频率。而c m o s 器件是电压控制器件没有这个问题。 嚣i c 越蕊工艺除了具有e 赫( ) s 工艺黝饯杰终，在e s d ( 羚邀澄敷) 、互佟透度方 丽疆优于c m = l = 艺。但是它的制造工艺步骤多，苍片e 可能产生的皎陷也就多， 而且成本方而臻高于c m o s 工艺。从成本等辑方面考虑，本文的设计采用7 f s m c ( 台 基电) 0 ，3 5 j mc m o s 工艺，一f 嚣籁荦介绍。 袭1 1 台墓电0 ：3 5 mc m o sl + 艺参数 t a b l e1 1p r o c e s sp a r a m e t e ro f t s m c0 。：3 5 9 r , c m o s c m o s 工芑 t s m c _ 0 3 54 m2 p s u b m 最小栅长0 4 9 m 最小栅宽 o 6 帅 金溪层次霆屡惫瓣 多晶硅两层多晶醚 k a i t i b d a 0 2 b t 1 l 襄1 。1 是t s h i c0 3 5 p mc m o s 工艺的鏊本情况，它有汹层金属、两层多晶硅， 湘交通人学坝i j 学位论正 栅的最小长宽分别为0 4 1 a m 、0 6 啪，l a m b d a 为版图设计时的换算单位。工艺按 照m o s 管的宽度和长度的不同将n m o s 和p m o s 分别划分为十种不同的m o s 管，并 给出了它们各自的宽度氏度范围和模型参数。另外对于工艺容差，模型给山了它 的不同的极限情况和参数变化的情况。 图1 3 是c m o s 的制造过程的简单图解，图中用一个p 0 s 管为例，它的基奉 工艺步骤包括氧化、光刻、掺杂以及淀积等。这罩需要指出的是，这个r 艺中包 含了纵向p n p 三极管。它不是标准的双极t 艺，是利用p 衬底、n 阱和p + 扩散 形成p n p 管，过程和m o s 管的制造过程相似，不过没有多品硅成形。这种三极管 的性能不如双极工艺中的三极管，本文电路设计中用到了这种纵向p n p 管。 1 4 2 设计流程 刻蚀栅氧 多品硅成形 屈成形 俐13 t s m c c m o s | 艺流样 f i g u r e1 3f l o wo f t s m cc m o sp r o c e s s 本文l v d s 收发器电路的设计为专用集成电路设计，其中唯元电路大多为模 拟电路或数模混合电路，无法使用厂家提供的标准单元，需要专门设计。设计流 程如图1 4 所示。首先从l v d s 的标准入手，确定所要设计的电路的性能要求。 根据电路的性能要求来确定电路的方案和框架，对单元电路进行仿真。如整体电 路的仿真结果满足设计要求则进行版图设计，否则要调整单元电路的参数来改善 阿交通人学坝l 学位论殳 整个电路的性能，对单元电路的调整仍无法解决的话，要对整个电路的方案进行 改进。 如果整体电路的仿真结果满足设计要求，就可以进行版图设计了。版图为全 手工完成，版图设计完成后要进行规则榆查( d r c ) 。进行规则检查的日的是为 了保证设计出的器件可以町靠的生产。之后要进行版图电气规则检查( e r c ) ， 它可以检查山版图中的短路和，r 路，以及版罔上是否有电源和地线的“软连接 ( s o f tc o n n e c t ) ”。所谓“软连接”是指版图中几j 能_ j 现。个电路巾不同器件的 乜 源或地线不是通过金属柬连接的情况。版图参数提取将版图e 的器件提取山来 它可以包括寄生元件的参数。在进行版图线路对照( l v s ) 时使用的是小包括寄 生器件的网表，版图线路对照可以检查设计的版图中的元器件和连接是否与线路 完全相同。存进行后仿真时使用的网表是包括寄生元器件的，得到的仿真结果是 比较接近实际情况的。 劁14 改汁流科 f i g u r e14d e s i g nf l o w 1 海窀通人学顺t 学位论文 1 4 3 工具介绍 本文的设计属于全定制集成电路设计，工作平台为u n i x ，使用软件为c a d e n c e 1 c 4 4 5 集成环境和h s p i c e 仿真软件。 电路图的输入利编辑采用c o m p o s e r ，这个软件可以方便地对电路图进行编辑 和修改，它提供了很多快捷键令使用更为便捷，并可以方便地导出网表。电路仿 真采用s p e c t r e 和h s p i c e 软件，s p e c t r e 软件提供了比h s p i c e 更为友好的界而 但h s p i c e 在电路仿真时的收敛性更好。电路仿真可以验证设计的电路功能指标 是否符合要求，一般包括直流、交流、瞬态分析等，大部分命令在各种仿真软件 中是兼容的。版图设计采用v i r t u o s o 软件，它同样是一个方便易用的工具，并且 可以调用d r a c u l a 和d i v a 进行版图规! i | i j 检查( d r c ) 、电气规则检商( e r c ) 、版 图线路对照( l v s ) 以及参数提取( l p e ) 。仟何一项的结果不符合要求的话都要 对版图进行修改。电路后仿真采用h s p i e e ，后仿真结果符合要求就可以将版图的 数据导出为标准格式( g d s i i ) ，交由生产：厂家来进行生产了。 1 5 本文的主要工作 本文以上海英联电子有限公司的实际项目为课题，介绍了低，e 差分信号 ( i v 1 ) s ) 接口单元电路的设计。设计。r n 路存t s l 4 c ( 台积电) 的0 3 5 “c m 0 5 工 艺上实现。电路的后仿真结果为发送器住5 0 0 m b p s 、接收器在3 0 0 m b p s 速率下上 作正常，各项电气指标符合标准的要求。 第二章介绍了l v d s 标准规定的必须满足的各项指标。第三章介绍了l v d s 发 送器的结构和各单元电路的设计，并给出了仿真结果。在发送器中用到的电流源 的要求比较高，它需要输出的电流值恒定，所以偏置电流源、电压源的设计堆独 作为一章束介缁。第四章介绍了电压源的设计，并在介绍基本电流源的基础上设 计了一个输出恒定的新型电流源。第“章介绍了l v d s 接收器及其基本单元的设 计以及仿真结果，其中着重介绍了比较器和失效保护电路的设计。第六章介绍了 版图设计中的一些需要注意的问题，其中包括闩锁和e s d ( 静电泄放) 问题，并 给出了经参数提取后的仿真结果。最后一章给出了一部分测试结粜并做了总结。 海交通人学倾 j 学位睑史 第二章l v d s 标准介绍 低电压差分信号传输是- 4 十通用的接口标准，适用于高速数据传输，它在两 个标准中定义 4 f 5 。a n s j t i a j e i a 一6 4 4 ( 1 9 9 5 午1 1 月通过) 标准规定需采用物 理层为电子接口。这个标准只舰定驱动器及接收器的电学特性，至于协议、互连 或连接器等方面的技术资料，这个标准并无做出任何规定，只让个别应用方案各 自设定有关的技术规格。l v d s 标准的【作组只决定电学特性，以确保l v d s 能 成为一个多用途接口标准。 l e e ep 1 5 9 6 ：3 ( 1 9 9 6 年3 月通过) ，主要面向s c i ( s c a l a b cc o h er e n t i n t e r f a c e ) ，定义了l v d s 的电特件，还定义了s c i 协议中包交换时的编码。在 两个标准中都指定了与物理媒质无关的特性，这意味着只要媒质在指定的噪声边 缘和歪剁容忍范围内发送信号到接收器，接口都能萨常工作。i ：而具体介绍标准 中舰定必需满足的。些电特性。 2 1 有关的电压参数 、 、 ( ， vv ”一一 = 柰= d e k a v 。叫 娄a v o s 幽21 发送端电压测试线路及波形幽 f i g u r e2 1w a v e i b r r na n dt e s tc i r c u i t r yo fd r i v e r 有关与发送器的电压参数的定义和测试如图2 1 。输出差分电压 v o d = v o a y o b ，标准规定的最大值和最小值分别为4 5 4 m v 、2 4 7 m v ，从图中可 以看出，住信号为0 和l 时的差模电压可能不同，这个差值aj v o j f 必须小于5 0 m y 。 而标准规定的输山共模电压v o s = ( y o a + v o h ) 2 的范幽足1 1 2 5 v 、1 3 7 5 v ，a v o s 必须小于5 0 m y ，而且规定在信号从0 到l 或从l 剑0 的变化过程l 卜| 共模电压，。 生的尖峰的峰峰值要小于t 5 0 r a v 。对端口v o a 和v o b 的输出电压也有要求，端口 电压最大值1 i 得超过1 4 7 5 v ，最小值不得小于9 2 5 m v 。 街交通人学坝卜学位论文 如图2 2 接收器输入端口电压v j a 或v i b 为0 到2 4 v ，输入差模电压幅值小十6 0 0 m v ， 输入差模电压的门限为1 0 0 m v ，即输入差分信v i d 号的幅值最小为1 0 0 m v ，而且输入差分信号必须 有一定的迟滞，一定的输入迟滞可以防止在有 噪声干扰时接收器的输出产! l 振荡。 v 1c 1 ” 2 2 有关的电流参数 圈2 2 接收端的输入电骶 f i g u r e2 2i n p u to f r e c e i v e r 图2 3 发送端的短路电流 f i g u r e2 3s h o r tc u r r e n to f d r i v e r 为了保证发送电路不会因为输出短路而损坏或烧坏其它电路元件，标准姚定 发送器住两输出端之间短路或短地时的短路电流不可过大。 1 ，、。1 1 2 m a ，1 。，i o ，1 1 。1 2 4 m a 标准还规定了接收器的输入电流，在输入共模电压变化的情况下，接收器输 入端的单端输入电流幅度不能大于2 0 u a ，且两个单端输入电流的筹值要小十 6 u a 。 2 3 阻抗匹配 因为当发送器的输出阻抗与传输线的特性阻抗不匹配时会产生严晕的信号 反射，并且可能使共模电压噪声变为差模信号。为防止这一点，信号不同值时的 输出阻抗胁该尽量相等。输出阻抗的上限应该足略大于传输线的特性阻抗，而f f f 交通人学f 叫1 学他沦史 限是不能比传输线特性阻抗小的太多。若输出阻抗比传输线的特性阻抗小的太 多，会“生差分信号的反射；而发送器的输出阻抗比传输线的特性阻抗大的太多 则在传输线上会产生振荡及严重的噪声问题。反射信号的大小由信号的变化幅度 和反射系数决定，如式2 1 。 w 。= p x v i 。，m 。， ( 2 1 ) j 中p 为反射系数，它是由传输线的特性阻抗和发送器的输出阻抗共同决定 的。 d ：丝：堕一1( 2 2 ) 。 z 。i + z ?z 。 + z ? 其中z 为传输线的特性阻抗，z 。是发送器的输出阻抗。并且要求发送器的单 端输山阻抗z 。、z 。，满足下式以保证信号的跳变所产生的反射小于1 0 。 o i 2 z ，( z 一z 。m ) l l ( z 。+ z f ) ( z 。m + z ，) ( 2 3 ) 标准中介绍了一种测量由输出阻抗不匹配所引起的信号反射电址的方法，如 图2 4 ，这也是测量动态阻抗的一种方法。动态阻抗不同j 二静态阻抗，它在高频 应用时非常重要，这与发送器的工作环境相同。 艮 一 d r i v e r 夕i t j 么吖k c 图2 4 发送端输出动态阻抗测量 f i g u r e2 4d r i v e rd y n a m i co h t p u ti m p e d a n c e 图中r 。= r = 5 0 q 0 1 ，( 1 = o 0 3 3 ，i f 2 0 ，d r i v e r 的峰峰值为5 0 0 m y 步贞率1 0 m ，耍求v 、，测量值的幅度小于5 0 m y 。 农2 1 静态输山阻抗匹配的要求 t a b l e21r e q u i r e m e n to fo u t p u ts t a t i ci m p e d a n c em a t c h i n g 参数对应单位最小值最大值 圪。一圪。 端口a 的输出阻抗 m y 1 7 8 ( 基于2 9 5 ( 基十 y m j v ，b i ， 端口b 的输出阻抗 4 0q )1 4 ( ) q ) 反射系数， i v02 。 ( 圪。，一v o 。) 一( 吃。一，。，) | 小于1 0 海交通人学坝1 ：学位论文 关于静态阻抗，标准也作出了相应的姚定以及评价的方法，如图2 5 。图r r i 的电阻值与上面的要求相同，对于输出分别为0 和l 时，输山共模分别接l v 和 1 4 v ，在两个端口得到的电压测量值必须满足表2 1 。 ”0 ”a 图2 5 发送端输出静态阻抗测量 f i g u r e2 5d r i v e rs t a t i co u t p u ti m p e d a n c e 因为在接受端是采用电阻来完成电流的回路，所以它的阻抗匹配问题比较容 易解决，只要端阻的阻值合适就l 叮以了，叭议规定的端阻阻值范围是9 0q 到l1 0 q 之阳j 。 2 4 有关于信号完整性的规定 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ) ，是指信号在信号线上的质量。信号具有良好 的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值，它表明信 号通过信号线传输后仍保持其正确的功能特性，信号在电路中能以f 确的时序和 电压作出响应 6 。信号完整。阽问题包括反射( r e f l e c t i o n ) 、串扰( c r o s s t a l k ) 、过 冲( o v e r s h o t ) 和下冲( u n d e r s h o t ) 、偏移( s k e w ) 以及斜率( s l e wr a t e ) 等等。 反射就是在传输线上的回波。信号功率( 电压和电流) 的一部分传输到线上并 达到负载处，但是有一部分被反劓了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射 就不会发牛了。这在上一节的内容罩作了具体的介绍。串扰是两条信号线之间的 耦合，信号线之问的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感 性耦合引发耦合电压。这个问题可以通过合理布线来进行改善，眼图是测试它的 好办法 7 。过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压刈于上升沿是指最高 海交通人学f 嗽i 学位论文 电压而对于下降沿是指最低电压。下冲是指下个谷值或峰值。过分的过冲能够 引起保护二极管工作，导致过早地失效，过分的下冲能够引起假的时钟或数据错 误( 误操作) 。这个问题也是由于阻抗不匹配所引起的，可以调整输山阻抗或采用 沿变化较慢的驱动源，但这是与高速应用要求目矛盾的，所以这是一个折中的过 程。信号的偏移是刈于同一个网络到达不同的接收器端之间的时间偏差。本文的 设计是单片的收发器，所以这个问题的解决更多的是在系统没计中考虑，不作更 多介绍。边沿斜率是一个信号的电压有关的时i b j 改变的比率，一般要小于1 v n s ， 过大的信号斜率可能引发电磁兼容性问题( e m c ) 以及串扰，在系统设计巾可以 通过外加电容的方法简单的加以解决 8 。 协议规定发送端的输出信号波形的占空比为4 5 到5 5 之间，图2 6 是发 送端的信号波形及参考电路。 + d 0 v _ v 。d vj n d 日$ 1 。眦 1 0 v j n d e r # h 。 v 如帆l 匕 斗 t 8 k e w 幽2 7 荸分信号的偏移 f i g u r e2 7s k e wo fd i f f e r e n t i a ls i g n a l 划于发送端来说，互补的两路输出的1 i 匹配、不同的斜率都会产牛差分信号 的两路电压信号之州的偏移，这个偏移量必须小于5 0 p s 。 海交通人学坝卜学位论文 2 5 对于失效保护的规定 l v d s 的一个重要特性是它具有失效保护的功能。协议规定l 。v d s 接口电路在 一些特定的情况下f i 会损坏或产生错误的信号影响通信。这些情况包括： 1 ) 发送器断电 2 ) 接收器与发送器没有连接 3 ) 连接电缆短路或丌路 4 ) 接收器的输入差分电压在相当氏的时间罩保持小于l o o m v 4 游交通大学顺1 学位论t 第三章l v d s 发送器电路设乇 3 1 发送器原理分析及框图 3 1 1 发送器原理 l v d s 驱动器电路的原理如图3 1 所示 9 ，图中m ( ) s 管衬底箭头向外的是 p m o s ，箭头向内的是n m o s ，所有n m o s 的衬底接地，所有p m o s 的衬底接电源。 i s s 是3 5 m a 的恒流源，m 1 、m 2 、m 3 和m 4 是尺寸工艺相同的n m o s 管，v 1 和v 2 是 由同一输入c m o $ 信号导出的瓦为反相的信号，输出o u t l 和( ) u t 2 在外部接阻值为 1 0 0 q 的终端电阻，构成回路。当v 1 为高电平，v 2 为低电平时，m 1 和m 4 管导通，m 2 和m 3 管截止，电流从o u t l 流向ou 1 2 ，并产生3 5 0 m v 的址降：反之，当v 1 为低电 平，v 2 为高电平时，m 2 和m 3 管导通，m 1 和m 4 管截止，电流从o u t 2 流向o u t l ，并产 生3 5 0 m y 的压降。这样就把一个c m o s 信号转换成了l v d s 信号。 i 刳3 1 发送器【：作原理 f i g u r e3 1 p r i n c i p l ec i r c u i to f d r i v e r 根据电流源电路的不同，有多种驱动器电路结构。普通电流源模式的l v d s 驱 动器电路结构如图3 2 所示，p m o s 管m l 、m 2 以及n m o s 管m 3 、m 4 分别构成两个 电流镜，它们共同为输出提供恒定电流 s s 。适当调整器件的尺寸比例，“j 使得 i s s - k i r - 3 5 m a ，k 为电流镜的放大倍数。其工作原理与图： 】州同。 另外一种l v d s 驱动器电路就是采用传输管逻辑实现的r 乜压驱动模式电路，如 图3 3 所示。信号r e f l 、r e f 2 是由内部偏胃电路产生的偏胃电胍，分别控制p m 0 5 管m 1 、n m o s 管m 2 。仔细调整偏置电压，可以使m 1 、m 2 工作在饱和区，并使得n 1 、 n 2 两点的电压差为0 3 5 v ，从而为l v d s 输出提供参考电压级。p m o s 管m 3 、m 5 和 n m o s 管m 4 、m 6 构成传输管逻辑。当i n i 为高电平，i n 2 为低电平时，m 4 、m 5 管导 通m 3 、m 6 管截l l ，从而输出0 u t l 、0 u t 2 的电压分别为n 2 、n l 的电压：反之，当 i n l 为低电半，i n 2 为高电平时，m 3 、m 6 管导通，m 4 、m 5 管截止，从而输出0 u t l 、 0 u t 2 的r 乜压分别为n l 、n 2 的电压。由于是电压驱动模式，所以传输线上无须加 终端电阻就可获得i v d s 信号，但需要较为复杂的偏置电路束产生r e f l 、r e f 2 控 制信号。 幽3 2许通【乜流源模式的l v d s 驱动器 f i g u r e3 2 c o n m r o nc u r r e n tm o d el v d sd r i v e r 图3 3 电压模式的l v d s 驱动器 f i g t w e33v o l t a g em o d el v d sd r i v e r 海变通人学彻i 学位论义 鹫3 ，1 为器蘧霆，图3 ，3 曩孽线爨不仅凌要较为复杂瓣镳嚣电爨巍曼赣出信号 的麓模及共模电压不容易控制。本文驱动器的设计采用圈3 2 的电路结构，并且 猩此基础上进行改动。增加麸模电压反馈控制电路，设计了一个精繇电流源以控 制差分电压的螺度，并对坏路送行李卜偿，消赊剐能出现黝自激振荡，其钵的线路 分轿将在戬磊的肇节具体余缡。 3 1 2 发送器框图 如图3 4 ，d a t a 为数据输入端；d k 为发送器使麓控制，低电甲有效，高电 平时，输出端( ) l 、o r 高阻。信号预处理嚣将输入的信舄变为两路逻辑十r 反、翻 转时闽相同灼信号。信号放丈蜷将信号的驱动能力放大、输出级是黢辱将c i o s 信号转纯为差分信号的单元。 邑压、电流编簧单元提供l 。2 5 v 静电压偏嚣及1 0 0 u 的电流偏置，1 2 5 v 的电压与通过输出端反馈检测到的差分信号的共模电压相比 较，简单比较器的偏置电流幽偏置单元提供，通过镜像来控制输出缴中的两个电 流滚，凌赣高茇模、共模信号发，董交纯，麸巍实臻了控裁簸密差分信号豹舅的。 0 a t a 0 基 熠3