（微电子学与固体电子学专业论文）lvds借口芯片和大数乘法器芯片的设计.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 f i | i i | f f i i | j i i | 删川| i f j l 删 y 1814 8 5 8 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：孓湿日期：m 年彩月冲日 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留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密彤在5 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： z 澎 豢攻 日期：眵年占月莎日 日期：哆年6 月日 摘要 摘要 本文由两部分( l v d s 发送，接收芯片和大数乘法器芯片) 构成，第一部分是 模拟电路设计，第二部分是数字电路设计。 低电压差分信号( l v d s ) 是一种标准的数据传输信号。它可以高速可靠地传送 大量数据，而且所需功耗低。它可以广泛的使用在芯片间或电路板间甚至是机架 间的数据传送，本文设计了适用于传输l v d s 的信号线两端的接口芯片一l v d s 驱动接收芯片。 本文设计的1 5 5 5 m b p sl v d s 驱动接收芯片，采用了自项向下的设计方法， 主要包括功能模块划分、电路设计与仿真、版图设计与验证、版图后仿真，是一 个完整的设计流程。设计出的l v d s 驱动接收芯片性能符合l v d s 技术规范标准， 并且在电源电压变化1 0 ，温度变化范围从4 0 到8 5 的仿真环境下，芯片都 可正常工作。 本文的另一个部分是大数乘法器的芯片设计。大数乘法器是r s a 公开密钥算 法的一个非常重要的部分。r s a 是一种较完善的公开密钥算法，它既能用于加密， 也能用于数字签名。r s a 算法是通过进行反复的模乘运算来实现的。因此正确实 现一个快速的大数乘法器是非常关键的。 本文设计的1 0 2 4 位乘法器综合了成本和运算速度两方面的考虑，采用了流水 线结构。其算法经过了多重仿真以及f p g a 验证，是一种可行的，速度快，面积 小的大数乘法器。最后对该乘法器进行了综合以及版图设计，即本设计包含了数 字电路设计从前端到后端的整个流程。 关键词：l v d s 驱动芯片；l v d s 接收芯片；大数乘法器 a b s t r a c t t w od e s i g n sa r ep r e s e n t e di n t h i sp a p e r ：l v d sd r i v e r r e c e i v e r d e s i g n a n d 1 0 2 4 b i tm u l t i p l i e rd e s i g n t h ef o r m e ro n e i sa na n a l o gc i r c u i td e s i g n ；t h el a t t e ro n ei s ad i g i t a lc i r c u i td e s i g n l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a i ( l v d s ) i s as t a n d a r ds i g n a lf o rd a t at r a n s m i s s i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e e d h i g hr e l i a b i l i t y ，a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n i t c a nb ew i d e l vu s e di nd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nc m o sc h i p s ，p c b so rb a s es t a t i o n s t h i sp a p e rp r e s e n t sal v d sd r i v e rd e s i g na n dal v d s r e c e i v e rd e s i g na si n t e r f a c ei c s w h i c hc a nb eu s e di nt w oe n d so ft h es i g n a ll i n e at o p - d o w nf u l lc u s t o m i z e dd e s i g nf l o ww a su s e d t od e s i g nt h e1 5 5 5 m b p s l v d sd r i v e r r e c e i v e r i ti n c l u d e sm o d u l ep a r t i t i o n i n g ，c i r c u i td e s i g n ，v e r i f i c a t i o n ， s i m u i a t i o n ，a n dl a y o u td e s i g n ，v e r i f i c a t i o n ，s i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c e o ft h e d e s i g n e dl v d sd r i v e r r e c e i v e rm a t c h e st h el v d s s t a n d a r d i na d d i t i o n ，b o t hi c sc a n o d e 豫t ei nt h ec o n d i t i o n so f l o d e v i a t i o no ft h es o u r c ev o l t a g ew h i l et h e t e m p e r a t u r ei si nt h er a n g eo f - 4 0 4 ct o8 5 c a n o t h e rp a r to ft h i sp a p e ri st h ed e s i g no fa1 0 2 4 一b i tm u l t i p l i e r r s ai sag o o d p u b l i c k e yc r y p t o g r a p h y ，w h i c hc a n b eu s e di ne n c r y p t i o na n dd i g i t a ls i g n a t u r e f a s t m u l t i p l i c a t i o no fl a r g e n u m b e r si st h ek e yi nr s ai m p l e m e n t a t i o ns i n c er s a i s i m p l e m e n t e db yr e p e a t e dm o d u l u sc a l c u l a t i o na n d m u l t i p l i c a t i o n ap i p e l i n es t r u c t u r ew a su s e da f t e rc o n s i d e r i n ga r e aa n ds p e e dt r a d e o f f si nt h i s 10 2 4 b i tm u l t i p l i e rd e s i g n t h em u l t i p l i e ri ss m a l la n df a s ta n d i t sc o r r e c t n e s sl s v e r i f i e db vm u l t i p l el e v e ls i m u l a t i o n s a n df p g ai m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y ，t h e m u l t i p l i e rw a ss y n t h e s i z e d ，a n dal a y o u tw a sd e s i g n k e yw o r d s ：l v d sd r i v e r ；l v d sr e c e i v e r ；m u l t i p l i e rf o rl a r g e n u m b e r s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t il 第一章绪论1 1 1l v d s 技术的发展概况1 1 2 发展l v d s 的意义一2 1 3r s a 公开密钥算法的背景及其使用的大数乘法器3 1 4 本课题来源及主要工作3 第二章l v d s 接口电路介绍4 2 1l v d s 接口的原理一4 2 1 1l v d s 的三种典型结构【6 1 4 2 1 2l v d s 简单工作原理介绍5 2 2l v d s 的特点6 2 2 1 共模噪声抑制能力强j 6 2 2 2 摆幅低、速度快、功耗小一6 2 2 3 具有可移植性7 2 2 4 终端结构简单7 2 2 5 受电磁干扰小8 2 3 本课题中l v d s 驱动接收芯片的设计目标一8 第三章l v d s d r lv e r 的设计1 0 3 1l v d s d r i v e r 的结构一l o 3 2 各模块的具体电路分析，版图1 1 3 2 1 使能控制模块1 1 3 2 2 电流源模块1 3 3 2 3 输出模块1 7 3 2 4e s d 保护电路1 8 3 2 5 整个l v d s d r i v e r 的版图2 0 3 3 设计目标及仿真结果2 0 3 3 1l v d s 驱动器设计目标2 1 3 3 2 仿真环境说明2 2 华南理工大学硕士学位论文 3 3 3 输出电压范围仿真波形2 3 3 3 4 正常工作时的仿真波形及开关特性2 4 3 3 5 三态工作时的仿真波形及开关特性2 6 3 4 本章小结一2 7 第四章l v d s r e c e iv e r 的设计2 9 4 1l v d s r e c e i v e r 的结构2 9 4 2 各模块的具体电路分析，版图3 0 4 2 1 使能控制模块电路3 0 4 2 2 与电源电压线性相关的偏置电压的产生电路3 l 4 2 3 运算放大器一3 4 4 2 4 失效保护电路3 6 4 2 5 输出控制模块电路3 9 4 2 6 整个l v d s r e c e i v e r 的版图4 0 4 3 设计目标及仿真结果4 0 4 3 1l v d s 接收器设计目标4 0 4 3 2 正常工作时的仿真波形及开关特性4 2 4 3 3 三态工作时的仿真波形及开关特性一4 5 4 4 本章小结4 6 第五章大数乘法器的设计4 7 5 1r s a 公开密钥算法介绍4 7 5 2 大数乘法器原理4 8 5 3 大数乘法器的实现5 2 5 3 1 用m o d e l - - s i m 工具进行前仿5 2 5 3 2 用f p g a 进行仿真5 3 5 3 3 用r s i m 工具进行前仿5 3 5 3 4 用d c ，p t 对乘法器进行综合的结果5 4 5 3 5 用a s t r o 进行自动布局布线的结果5 5 5 4 本章小节5 7 结论5 8 参考文献6 0 攻读学位期间发表的与学位内容相关的学术论文6 1 致谢6 2 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1l v d s 技术的发展概况 l v d s ( l o wv o l t a g e sd i f f e r e n t i a ls i g n a l s ) 接口又称r s 6 4 4 总线接口，是2 0 世 纪9 0 年代才出现的一种数据传输和接口技术。这种技术的核心是采用极低的电压 摆幅高速差动传输数据。理论上，在无损耗的传输线上，l v d s 的最高传输速率 可达1 9 2 3 g b p s 。l v d s 可以实现点对点，一点对多点、多点对多点的传输，具有 低功耗、低误码率、低噪声，低串扰，低辐射以及易于集成等特点，其传输介质 可以是铜质的p c b 连线，也可以是平衡电缆【l 】。l v d s 广泛应用于体积小，功耗 低的便携式设备( 移动电话，p d a ，笔记本电脑，数码相机等) 和高速通信设备。 在自动控制，雷达系统等高科技领域l v d s 也被普遍使用。 目前，流行的l v d s 技术规范有两个标准：一个是t i a e i a ( 电讯工业联盟 电子工业联盟) 的a n s i t i a e i a 一6 4 4 标准1 2 1 ，它主要由美国国家半导体公司进 行编辑，于1 9 9 5 年1 1 月被认可，它主要定义了l v d s 的电特性，并建议了6 5 5 m b p s 的最大速率和1 9 2 3 g b p s 的无失真媒质上的理论极限速率，其修正版t i a 6 4 4 a 于 2 0 0 1 年2 月出版，增加了一些关于多接收器应用的信息；另一个是i e e e1 5 9 6 3 标 准【3 】，它主要面向s c i ( s c a l a b l ec o h e r e n ti n t e r f a c e ) ，定义了l v d s 的电特性，还定义 了s c i 协议中包交换时的编码。此标准的制定是基于以下状况的考虑：比如在一 个多处理系统中如何连接各个处理机，或者如何将工作站分组成串行工作等问题。 s c i 原先指定了差分e c l 以满足高传输率的需要，但是并没有考虑到功耗以及集 成的问题。低功耗的s c i l v d s 标准后来作为s c i 的子集，在i e e e l 5 9 6 3 标准 中被指定。s c i l v d s 标准为高速低功耗s c i 物理层界面定义了类似于 a n s i t i a e i a 6 4 4 一a 标准的信号水平( 电特性) 。这一标准还定义了用于s c i 数 据传输的封装交换的编码方式。i e e e1 5 9 6 3 标准在1 9 9 6 年3 月被认证。 为了能够更广泛的适用，两个标准都没有定义特定的工艺技术、所用媒介以 及电源电压。这意味着l v d s 可以用c m o s ，g a a s 或者其他工艺来实现：电源可 以是5 v 或者3 3 v 甚至低于3 3 v ；可以通过p c b 板或者电缆传输。因此l v d s 可以在很多工业部门中使用。表l l 列出了一些应用实例： 华南理工大学硕士学位论文 表1 1l v d s 应用实例 t a b l e1 1l v d sa p p li c a ti o n 计算机处理电信的数据传送日常应用 平板显示数据转换家庭商用视频连接 显示器连接增加减少多路器机顶盒 s c i 处理器互连集线器游戏显示控制 打印机连接路由器 数字影印机存取系统 多媒体外围设备连接宽带集中器 1 2 发展l v d s 的意义 在信息时代的今天，为适应信息化的高速发展，高速处理器、多媒体、虚拟 现实以及网络技术对信号的带宽要求越来越大，多信道应用日益普及，所需传送 的数据量越来越大，速度越来越快。目前存在的其它数据传输标准在速度、噪声 e m i 、功耗、成本等方面所固有的限制使其越来越难以胜任高速、大数据量传输 的任务，l v d s 接1 ：3 标准为解决这一瓶颈问题提供了可能【4 】。表1 2 给出了l v d s 与其他几种接口的性能的比较。 表1 2l v d s r s 一4 2 2 t t l 的性能 t a b l el 一2s p e c so fl v d s r s 一4 2 2 t t l 参数l v d s r s 4 2 2t t l 输出摆幅( v )3 5 0 mv 2 0 5 0v2 0 5 0v 接收阈值( v ) o 1 0vo 2 0v 1 2v 传输速率( mbps ) i 0 0 3 0 i 0 0 动态功耗 l0wl0whigh 噪声 l0wl0whigh 同为差分传输接口，l v d s 与r s 一4 2 2 相比，在传输速率、功耗、接收灵敏度 和成本等方面都有优越性；与传统的t t l c m o s 接口相比，l v d s 在高速、低抖 动及对共模特性要求较高的数据传输系统中的应用有着无可比拟的优势。 目前，世界上仅有n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 和t e x a si n s t r u m e n t s 等几家大公司 的l v d s 技术比较成熟。而国内并没有成熟产品，因此开发一系列低成本，又具 2 第一章绪论 有广泛应用的l v d s 收发芯片产品对改变l v d s 产品全部依赖进口的局面具有十 分重要的意义。 1 3r s a 公开密钥算法的背景及其使用的大数乘法器 1 9 7 6 年，d i f f i e 和h e l l m a n 在美国国家计算机会议上首先公布了公开密钥密 码学的概念，随后，有多种公开密钥算法被提出，但是其中许多是不安全的，而 那些被视为安全的算法，有许多却不实用，要么是密钥太大，要么密文远大于明 文。只有少数几个算法是既安全又实用的，在这些算法中，又有一些仅适用于密 钥分配，一些适用于加密，还有一些只适用于数字签名。只有三种算法可同时很 好地用于加密和数字签名：r s a 、e l g a m a l 和r a b i n 。【5 】 在已提出的公开密钥算法中，r s a 是最容易理解和实现的。r s a 以它的三个 发明者r o nr i v e s t 、a d is h a m i r 和l e o n a r da d l e m a n 的名字命名。该算法已经经受 住了多年深入的密码分析，虽然密码分析者既不能证明也不能否定r s a 的安全 性，但这恰恰说明该算法有一定的可信度。 随着电子商务、电子银行和网络通信的发展，网络信息安全的重要性越来越 显著，信息加密、数字签名、身份验证等成为信息安全领域的重要内容，r s a 公 钥密码体制可以很好地解决这些问题 r s a 对数据的a n 解密过程实际上就是通过重复调用模乘算法来实现模幂操 作，大数乘法器因此成为r s a 系统的一个重要组成部分。 1 4 本课题来源及主要工作 本课题第一部分l v d s 驱动接收芯片的设计来源于深圳中兴集成电路设计 有限公司，第二部分大数乘法器的设计是国家教育部项目r s a 加密芯片的一个重 要组成部分。 本课题的两部分分别是模拟电路设计和数字电路设计。对于模拟部分，论文 的主要工作是：l v d s 接口电路的分析研究；l v d s 驱动芯片的电路设计、仿真 验证及版图实现；l v d s 接收芯片的电路设计、仿真验证及版图实现；对于数字 部分，论文的主要工作是：对如何实现r s a 算法的分析研究；大数乘法器的设计； 乘法器的仿真验证和综合以及版图的实现。 华南理工大学硕十学位论文 第二章l v d s 接口电路介绍 2 1l v d s 接口的原理 2 1 1l v d s 的三种典型结构【6 】 ( 1 ) 点到点结构。 这是一种基本的发送和接收结构，用于两点间固定方向信号传输。图2 1 是一个简单的单向点对点l v d s 接口连接图。 k 彩 g 图2 1 点到点结构 f i g u r e2 1p o i n t t o p o i n tc o n f i g u r a t i o n 点对点结构还有一种双向连接方式，如图2 2 所示。这种配置方式允许信号 在一对差分线上双向传输，但信号每次只能往一个方向传输。 图2 2 双向半双工结构 f i g u r e2 2 b i d i r e c t i o n a lh a l f - d u p l e xc o n f i g u r a t i o n ( 2 ) 点到多点结构。 点到多点结构如图2 3 所示。这种广播式总线结构连接多个接收端到一 4 第二章l v d s 接口电路介绍 个发送端，常用于数据分配。虽然一个l v d s 驱动器可以扇出多个负载，但 无需为每个接收器进行负载匹配，只需对最后一个接收器按点对点方式进行 匹配。 图2 3 多支路结构 f i g u r e2 3m u l t i d r o pc o n f i g u r a t i o n ( 3 ) 多点到多点结构 多点到多点结构的结构如图2 4 所示，它将多个驱动器或接收器同时连 到一对相同的传输线上，这样任意两点之间就可以完成数据的传递。多点互 连总线使点到点之间互连降到最少，同时提供双向，半双工通讯能力，在同 一时间，只能有一个发送器工作。 茎1 0 0 f l孝 喜 “烛心比地烛也专 i 雌i i _ i 阻隧融 图2 4 多点到多点结构 f i g u r e2 - 4m u l t i p o i n tc o n f i g u r a t i o n 2 1 2l v d s 简单工作原理介绍 5 茎1 f l 华南理t 大学硕士学位论文 一个简单的l v d s 点到点结构的传输系统由一个驱动器和一个接收器通过一 段差分阻抗为l o o q 的导体连接而成，如图2 5 所示。 d r i v e r 图2 5 简单的l v d s 点到点结构的传输系统 f i g u r e2 5s i m p l i f i e dd i a g r a mo fl v d sd r i v e ra n dr e c e i v e rc o n n e c t e d v i a10 0d i f f e r e n t i a li m p e d a n c em e d i a 图中驱动器的电流源( 通常为3 5 m a ) 用于驱动差分线对，由于接收器的直 流输入阻抗很高，驱动器电流大部分直接流过1 0 0 q 的终端电阻。在接收器输入 端产生的信号幅度大约为3 5 0 m v 。通过控制驱动器的开关，改变直接流过电阻 的电流的有无，从而产生“l ”或“o ”的逻辑状态。在有些最新生产的l v d s 接收器 中，1 0 0 f l 左右的电阻直接集成在片内输入端上了，如m a x i m 公司的 m a x 9 1 2 1 9 1 2 2 等。 2 2l v d s 的特点 2 2 1 共模噪声抑制能力强 l v d s 中使用的差分数据传送方式受共模噪声的影响比单端方式的小。差分 传送使用有互补电流或者电压摆幅的两根线传送数据，而不是使用单根线。差分 方式的优点在于，如果噪声作为共模信号，同时、等量地作用在两根传送线上， 会被接收器丢弃，因为接收器只考虑两个信号的差异，即差模信号部分。而且由 于电磁部分影响抵消，差分信号比单端信号产生更少的噪声。另外，电流模式的 驱动器不会产生毛刺，可以更进一步减少噪声。 2 2 2 摆幅低、速度快、功耗小 因为像l v d s 这种差分技术可以较少考虑噪声，它就可以使用更低的信号电 压摆幅。这个优点是很重要的，因为如果电压摆幅大的话，就很难提高数据传输 6 第二章l v d s 接口电路介绍 率以及降低功耗。驱动器的低摆幅特性意味着数据可以转换得很快。因为驱动器 是电流模式的，频率变化导致的功耗变化是很小的，驱动器里面信号变换产生的 毛刺也很小，所以随着频率的增加，总电流i 。几乎不增加。并且负载的功耗( 3 5 m ax3 5 0m v = 1 2r o w ) 也很小。 2 2 3 具有可移植性 l v d s 的另一个特点是驱动器和接收器并不依靠特定的电源，如5 v 。所以 l v d s 容易移植到较低的电源电压上，比如3 3 v 甚至2 5v 而仍然维持同样的功 能。相对来说，e c l 和p e c l 等技术更依赖于电源电压，且不容易移植到低电压系 统。 2 2 4 终端结构简单 无论l v d s 的传输介质是电缆或者p c b 上的连线，都需要特性微分阻抗来使 电流通路完整，并且获取高速信号。如果介质没有连合适的终端，从电缆或连线 终端得到的信号会被随后的信号所覆盖。合适的终端还能减少我们不想要的电磁 辐射，并且保证较好的信号质量。 为了防止信号反射，l v d s 需要一个能与实际的电缆或者p c b 连线的微分阻 抗匹配的终端电阻。通常使用一个1 0 0 欧姆的电阻作为终端。这个电阻使电流环 路完整，并且适当的终止了信号。这个电阻放在两根差分信号线间，尽可能接近 接收器的输入的位置。 由于l v d s 终端结构很简单，所以它在大部分的应用中都可以使用。相对l v d s 的单电阻解决方案，e c l 和p e c l 都需要更复杂的终端结构。p e c l 的连接必须 同时符合多个要求。接收器必须偏置在比v e e 低1 v 左右，而且还需要一个电阻 通路来接收驱动器产生的直流电流。图2 6 显示了两种技术的应用情况，通过对 比，可以发现，p e c l 的终端结构比l v d s 复杂。 彩 翎 r _ ： ( a ) l v d s 终端结构 ( a ) l v d st e r m i n a t i o n 7 华南理1 = 大学硕士学位论文 阂 彤 。且其大小可以通过调整n ，玛的大小来得到。 图3 6 基准电流产生原理电路 f i g u r e3 - 6p r i n c i p l ec i r c u i td i a g r a mo fc u r r e n ts o u r c e 该电路为输出提供了所需的电流，且该电流的大小可以稳定在所需范围内。 同时，此电流的正温度特性，配合输出电路部分的二极管连接的双极型晶体管的 电压的负温度特性，可以使输出电压稳定在要求的范围内。 1 4 第三章l v d s d r i v e r 的设计 c eb p 型衬底 图3 7c m o s 工艺中p n p 双极晶体管的实现 f i g u r e3 - 7p n pb i p o l a r - t r a n s i s t o ri nc m o st e c h n o l o g y 二：嚣看甭琴f f 爵墨季：蕊 图3 8p n p 晶体管的版图 f i g u r e3 - 8l a y o u to fp n pb i p o l a r - t r a n s i s t o r 在标准c m o s 的n 阱工艺中，p n p 晶体管可以按图3 7 所示的结构构成。1 1 阱中的p + 区( 与p f e t s 的源漏区相同) 作为发射区，n 阱本身作为基区，p 型衬 底作为集电区，并且必然接到最负的电源。图3 8 给出了p n p 晶体管的版图。f 7 】 我们比较图3 5 ，3 6 可以发现图3 5 用的是双晶体管集电极接地结构， 而不是单个晶体管。这是因为由于不对称性，运放会受到输入“失调”的影响。失 调也就是运放输入为零而输出电压并不为零。假设输入失调电压大小为v o s ，则 电流大小如式( 3 5 ) 所示 1 5 华南理工大学硕士学位论文 i = 哆i nn 一 尺3 ( 3 - 5 ) 为了减小失调电压的影响，可以在电路的两个分支都采用两个p n 结串连的形 式，如图3 - - 9 左边所示，使得式( 3 - - 5 ) 1 j 勺分子的前面一项增大一倍，即如式( 3 - - 6 ) 所示。这样失调电压的影响就减小了。 i = 2 v ti n n 一 尺3 ( 3 - 6 ) 但是图3 - - 9 左侧所示的电路实现在标准c m o s 工艺中是不可行的，因为q 2 的集电极没有接地。为了利用图3 7 所示的双极结构，将二极管串联连接改成图 3 9 所示的形式。将其中一个二极管变为射极跟随器。所以电流源模块的最终电 路结构如图3 5 所示。 2 v b | 2 v b | 图3 9 串连二极管转变为集电极接地结构 f i g u r e3 - 9s e r i o u sd i o d et oc o l l e c t o rg r o u n d i n g 本设计是具有四驱动模块的芯片，这四个模块采用同一个电流源和使能控制 模块，因此四个输出模块具有相同的控制及电流源，使得输出具有相同的电特性 参数。图3 1 0 给出了电流源模块及控制模块的公共部分的版图。 图3 1 0 电流源及使能控制模块的版图 f i g u r e3 - 1 0 l a y o u to fc u r r e n ts o u r c ea n de n c o n t r o lm o d e l 1 6 第三章l v d s _ d r i v e r 的设计 3 2 3 输出模块 图3 1 l 是输出模块的具体电路。 由于由电流源产生的电流是p t a t 电流，即与温度成正比。而双极晶体管的 基极一发射极电压，或者说p n 结二极管的正向电压，具有负温度系数。根据这 些正负温度特性，可以保证b 点电压不随温度变化。因为假设温度升高，流过 r 1 和r 2 的总电流i 增加，为了保证b 点电压不变，需要使流过r 2 的电流1 2 也 不变，则总电流的增加量都加在r 1 上面，所以r 1 两端的压降v r i 增加，同时因 为p 管的基极一发射极电压v b e 降低，可以做一定的调整使得v r l + v b e = v b = 恒 量，即 ，l r l - i - = ( 3 7 ) 又因为i i - - i 1 2 ，所以上式可以表示为 【j 一，2 ) r i + = ( 3 - 8 ) 式中，1 2 和v b 都是恒量，那么将上式对温度求导，可得 即争鲁= 。( 3 - 9 ， 调整r l 及管p 可以使式( 3 9 ) 成立。同时再调整r 2 的大小可以使b 点电压稳定在要求的大小。 图3 1 2 给出了输出模块以及输入信号受使能信号控制的部分的版图。 晰 a , u r r 图3 1 1 输出模块具体电路 f i g u r e3 - 11c i r c u i td i a g r a mo fo u t p u tm o d e l 华南理r t 大学硕士学位论文 图3 1 2 输出模块及部分控制模块版图 f i g u r e3 - 12l a y o u to fo u t p u tm o d e la n dp a r to fc o n t r o lm o d e l 3 2 4e s d 保护电路 e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 保护电路的设计是c m o s 集成电路可靠性设计的一 个重要环节。在日常生活中，由于各种原因，人体或设备仪器都可能带有极高的 静电，当这种高压静电环境通过人体或者仪器接触到c m o si c 器件的引出管脚 时，这种高压静电就会迅速通过器件某一部分而释放掉，这一过程就是人们通常 说的e s d 现象【引。 如果c m o si c 芯片内部p a d 没有足够大的电流通路用以安全释放静电能量， 那么上述任何一种放电过程都可能在芯片内部发生e s d 损坏，导致芯片功能失 效。 第三章l v d s d r i v e r 的设计 p o r t 图3 1 3e s d 保护电路 f i g u r e3 13c i r c u i td i a g r a m o fe s d p r o t e c t o r z - i： ： i 譬： ： j ，2 - 7j ： ：0 5 i ：、 。1 ： ：， ：一 ： 7 ： ii ； ? ： ：7 i 0 ， ： ， ； ix ： j ： ： ； j ，1 ， ： 、 i ! j 。+ ： j r ) ，1 h j 二 j 二， ： ! ：j i ： ，9 - = i i 。：1h _ 一 一 ，： - q ，_7 _ i i ； 乒 f ： 。： 一： ，： “ 譬 竺竺6 一 ： 琶 l鬻 雾 l 囊 l l 赣 ， ： ： y - 摹 * 囊 荨： ：= ：- = v ：、： ：x 、二、：心 _ 、 ，- z ? 7 r 鼍n ? “4 。 一 ) 一 f j ： 二，：j - o ： 螬+ r ： ：i ? ： 一：= - 、i 、： j 二 ； ， j ： ：- ： ? j ； c - ，冀 、；，一： j ：? ： ， 1 9 华南理工大学硕士学位论文 3 2 5 整个l v d s d r i v e r 的版图 图3 1 5l v d s d r i v e r 的整体版图 f i g u r e 3 - 1 5l a y o u to fl v d s d r i v e r 图3 1 5 是l v d s d r i v e r 的整体版图。本设计采用的是华润上华科技有限公 司的6 s 0 6 d p d m c t 工艺，即o 6 u m 硅栅双阱双多晶硅双金属层工艺，电源电压为 5 v 。版图则根据该工艺提供的目标工艺文件、设计规则文件进行手动布局布线。 这样做的好处在于：一方面可以更好地节省芯片面积；另一方面，方便后端验证 以后的版图修改。 3 3 设计目标及仿真结果 第三章l v d s d r i v e r 的设计 3 3 1l v d s 驱动器设计目标 表3 3 是l v d s 驱动器的电特性参数，本设计就是以此为设计目标。 表3 3l v d s 驱动器的主要电特性参数 t a b l e3 - 3m a i np a r a m e t e r so fl v d sd r i v e r 参数意义最小值典型值最大值单位 v 。d差分输出电压 2 5 03 4 54 5 0m v v 。输出偏置电压 1 1 2 51 2 51 3 7 5v v 。dv o d 变化量绝对值 4 3 5m v v 。v o s 变化量绝对值 52 5m v v 伽输出高电平电压 1 4 11 6v v o l输出低电平电压 0 9 1 0 7 v t t 札输出上升时间下降时间 o 3 5 2 on s t f t 皿输出从低到高的延时 0 52 13 5n s t p n d输出从高到低的延时 0 52 o 3 5n s 输出由高电平变为高阻的 t 瞰 2 5 1 5n s 延时 输出由高阻变为高电平的 t p 功2 51 5n s 延时 输出由低电平变为高阻的 t p 比2 51 5n s 延时 输出由高阻变为高电平的 t p z l 2 51 5 n s 延时 2 l 华南理t 大学硕士学位论文 图3 一1 6 对于t l h t h l 、t p l h d 、t p h l d 、t p h z 、t p z n 、t p l z 、t p z l 的定义给出 了形象的说明。 埘。 d | o 盯+ 孵 7 5y 、 r 2 5 v 、 i o 年l h o卜+ h - 一 )v c o 执，) v 7 8 0 毒。籍3 0 o v 5 v t 2 0 + 1 l 阡兰。胁l + 。e o u t s 刃 r 2 0 、 - - 4 t t l h- - 眦 _ _ - ( a ) 驱动器传播延时和转换时间波形 ( a ) d r i v e r p r o p a g a t i o nd e l a ya n dt r a n s i t i o nt i m ew a v e f o r m s e nw h e ne n + - n w h e ne n = g n d o o u ，+ w h e n 礓心。v c e t w h e n ；g n d o o u t w h e n u t w h e n o mzg n d 3v c c 图3 1 6 ( b ) 驱动器三态延时波形 f i g u r e3 16 ( b ) d r i v e rt r i s t a t ed e l a yw a v e f o r m s 3 3 2 仿真环境说明 5 v s v 5 v 1 2 v i 。2 v 仿真过程中，要考虑到不同的电源电压，工作环境温度以及工艺对仿真结果 第三章l v d s _ d r i v e r 的设计 的影响，因此要对不同的条件进行多次仿真。下面列出仿真时假设的各种影响的 变化范围： 电源电压：4 5 v 5 5 v 工作环境温度：4 0 c 8 5 工艺设置：t t ( t y p i c a ln m o s ，t y p i c a lp m o s ) ； f f ( f a s tn m o s ，f a s tp m o s ) ； s s ( s l o wn m o s ，s l o wp m o s ) ； f s ( f a s tn m o s ，s l o wp m o s ) ； s f ( s l o wn m o s ，f a s tp m o s ) 。 3 3 3 输出电压范围仿真波形 f 5 2 毋 ，5 鼢 1 4 8 a t 4 6 1 1 l 4 - 4 i i 1 4 2 9 t 牛嘲 r o m p c )r o m p e ) 图3 1 7v o h 、v o l 、v o d 在不同工艺及电压下随温度的变化波形 f i g u r e3 1 7v o h - t 、v o l t 、v o d t c h a r a c t e r i s t i c sw i t hd i f f e r e n t p r o c e s sa n dv o l t a g e s 图3 1 7 给出了在5 种工作环境下的仿真波形，图中，左上方是输出差分信 号中的高电平v o h