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文档简介

摘要 摘要 随着信息技术的发展,数据的传输量越来越大,数据的传输速度也要求越来 越快。普通并行i o 接口电路由于受到自身电路结构和传输线的限制,已经不能 满足不断发展的高速微处理器、多媒体、光传输连接、智能路由器以及网络技术 的数据带宽要求。而且,随着数据传输速度的提高,怎样保持低功耗也成为人们 关注的一个焦点。为此,迫切需要寻求新的i o 接口电路来解决当今所面临的严 重问题。基于串行接口技术的低压差分信号传输技术( l v d s :l o wv o l t a g e d i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 便是解决当今普通并行i o 接口问题的一种新技术,它采用 数据串行化差分信号传输方式,可以有效地降低噪声和低电磁干扰,还具有低功 耗、低噪声、低成本等优点。 本论文基于a n s i t i a e i a 一6 4 4 和i e e ep 1 5 9 6 3 标准,对l v d s 接口电路的 发送电路的原理和结构进行了研究,对l v d s 的优点进行了分析和总结。在此基 础上,根据l v d s 发送电路的各个部分的功能将整个发送电路分为并串转换、缓 冲电路、基准源以及l v d s 驱动电路四个核心模块。 并串转换电路设计,采用共栅输入控制结构来实现了高速时钟的分频。 缓冲电路的目的在于数据从单端向差分信号转变,同时增加传输数据的驱动 能力,用数模混合设计。 基准源电路是模拟电路,其设计对工艺和温度特性要求非常高,本文对该部 分进行深入研究,并分析不同结构的基准源的实现方法,以及它们的优点和缺点, 采用阈值电压补偿技术实现了非常高精度的基准源。 l v d s 驱动电路是数模混合电路,是整个模块的核心部分。本论文对其原理 和结构进行了分析,总结驱动结构的优点和缺点,并采用c m f b 的补偿技术来实 现速度高达2 5 g b p s 的高精度l v d s 驱动电路。 本论文对l v d s 发送电路版图进行了研究,针对失配、串扰、噪声、天线效 应、闩锁效应进行了讨论,并提出解决方法。本设计的l v d s 发送电路基于s m i c o 1 8 jmc m o s 工艺,采用全定制的版图设计,并对版图进行了验证和后仿真, 以确保版图的准确性及芯片的性能。 关键词:i o 接口电路,l v d s ,并串转换,缓冲,基准,l v d s 驱动,版图。 i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ,m o r ea n dm o r ed a t at r a f f i c q u a n t i t ye x p a n d sa n dt h es p e e do f d a t at r a n s m i s s i o ni sr e q u i r e dm o r ea n dm o r eq u i c k l y t h ec o m m o np a r a l l e li oi n t e r f a c ec i r c u i t ,b e c a u s eo fi t so w nt r a n s m i s s i o nl i n ea n d c i r c u i ts t r u c t u r e sr e s t r i c t i o n s ,c a nn ol o n g e rm e e tt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fh i i 曲 s p e e dm i c r o p r o c e s s o r s ,m u l t i m e d i a ,o p t i c a lt r a n s m i s s i o nc o n n e c t i o n ,s m a r tr o u t e r s ,a n d t h ed a t ab a n d 埘d t ho fn e t w o r kt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s m o r e o v e r ,诵t h t h e i m p r o v e m e n to fd a t at r a n s m i s s i o ns p e e d ,h o wt om a i n t a i nl o wp o w e rc o n s u m p t i o nh a s b e c o m eaf o c u so fa t t e n t i o n i nt h i sc a s e ,w eu r g e n t l yn e e dt of i n dn e wi oi n t e r f a c e c i r c u i tt os o l v et h e s es e r i o u sp r o b l e m s l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a lt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ( l v d s :l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) w h i c hb a s e so ns e r i a l i z e r t e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yt os o l v ep r o b l e m so f t h ec o m m o np a r a l l e li 0i n t e r f a c e i tu s e sd i f f e r e n t i a ls i g n a lt r a n s m i s s i o nn o to n l yi sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c en o i s ea n d l o we l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ,b u ta l s oh a sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ,l o wn o i s e , l o w - c o s ta d v a n t a g e s b a s e do nt h i st h e s i sa ta n s i t i a e i a 6 4 4a n di e e ep15 9 6 3s t a n d a r df o rl v d s c i r c u i tp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ,id oa ni n - d e p t hr e s e a r c ho nt h el v d sa n dc a r r yo u ta d e t a i l e da n a l y s i sa n ds u m m a r yt h ea d v a n t a g eo ft h el v d s b a s e do nl v d ss e n d c i r c u i ti na c c o r d a n c ew i t ht h ev a r i o u sp a r t so ft h ef u n c t i o n ,t h ew h o l ec i r c u i ti sd i v i d e d i n t os e r i a l i z ec i r c u i t ,b u f f e rc i r c u i t , v o l t a g er e f e r e n c e ,l v d sd r i v e rc i r c u i ti nf o u r s e c t i o n s t h es e r i a l i z ec i r c u i tf u l l yu s e st h es t r u c t u r eo fc o m m o n g a t ei n p u tt or e a l i z et h e 1 1 i g hf r e q u e n c yd i v i d e ro ft h ec l o c k t h ep u r p o s e so ft h eb u f f e rc i r c u i ta r et oc h a n g et h ec m o ss i g n a lf r o mt h e s i n g l e - e n d e dt od i f f e r e n t i a ls i g n a l ,a tt h es a l t l et i m e ,i n c r e a s i n gt h ec a p a c i t yo fd a t a t r a n s m i s s i o nd r i v e r ;t h ec i r c u i ti sa d i g i t a l - a n a l o gm i x e dd e s i g n r e f e r e n c ec i r c u i ti sa na n a l o gc i r c u i t ,t h e d e s i g np r o c e s sa n dt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i ta r ev e r ys t r i c tr e q u i r e do nt h ep a r to ft h i s c i r c u i t id oa n i n d e p t hs t u d ya n da n a l y s i so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h er e f e r e n c ei m p l e m e n t a t i o n , a s i i w e l la st h e i rs t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e s ,u s i n gt h et e c h n o l o g yo f c o m p e n s a t i o no fv t ht o g e tav e r yh i g ha c c u r a c yr e f e r e n c e st ot h ei m p l e m e n t a t i o no ft l l ep a r to ft h ef u n c t i o n l v d sd r i v ec i r c u i ti sad i g i t a l a n a l o gm i x e dc i r c u i t i ti st h ec o r eo ft h ew h o i e c i r c u i t ,s t u d y i n gt h et h e s i so fi t sp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r ea n a l y s i s ,is u m m a r yt h ed r i v e c i r c u i t ss t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so fc o m m o ns t r u c t u r ea n db yu s i n gt h et e c h n o l o g yo f c m f bt o c o m p e n s a t i o nt h ew e a k n e s s e so fc o m m o ns t r u c t u r et oa c h i e v e2 5 g b p s h i g h p r e c i s i o nl v d sd r i v e rc i r c u i ts t r u c t u r e l a y o u to fl v d ss e n dc i r c u i ti sr e s e a r c h e di n d e p t h t h em i s m a t c h ,c r o s s t a l k , n o i s e ,a n t e n n ae f f e c t ,a n dl a t c he f f e c ta r ed i s c u s s e di nd e t a i la n d p u tf o r w a r ds o l u t i o n s t h ed e s i g n so fl v d ss e n dc i r c u i tb a s e st h es m i co 18 t mc m o s p r o c e s s t h el a y o u t d e s i g nu s e sf u l l - c u s t o ml a y o u tm e t h o d t oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h et e r r i t o r ya n d e v e n t u a l l yt h ep e r f o r m a n c eo fc h i p s ,ic a r r yo u tt h ev e r i f i c a t i o na n dp o s ts i m u l a t i o n k e yw o r d :i oi n t e r f a c ec i r c u i t ,l v d s ,s e r i a l i z e ,b u f f e r , v o l t a g er e f e r e n c e ,l v d s d r i v e r , l a y o u t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知,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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名: 日期:叼夕年歹月弓日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名:导师签 日期: 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着集成电路、微电子技术以及军事电子技术的飞速发展和广泛应用,传输 接口技术已成为集成电路领域的研究热点之一。军事空间通信领域中的传输速率 高、占用带宽宽,以及宽带侦收、电子对抗等雷达应用领域中的高速数据采集和 传输,对传输接口技术提出了更高的要求。 由于目前存在的点对点物理层接口( r s 4 2 2 、r s 4 8 5 、s c s i ) 【l 】以及其它 数据传输标准等在速度、噪声、功耗、成本等方面存在一定程度的限制,需要寻 找一种高速、满足大量总线互联的传输接口电路。为满足数据在处理器、存储介 质和外围设备之间的高速交换,近年来出现了多种高速接口电路的设计和应用高 速数据传输接口电路在计算机m e m o r y 总线、多处理器的互连、外部设备接口、 高速系统背板等等。普通p c 机上的d d r 2 存储器的数据传输可达到6 6 7 m h z 2 1 。 计算机外部设备、计算机网络、通信传输等设备的各种物理层设计工作涉及 1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 和2 5 g b p s ;1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 和1 0 g b p s 高速接口电路【2 j 。 随着3 c 技术的迅猛发展,l v d s 接口电路作为一种具有诸多优势的接口技 术,逐渐成为人们的研究重点。由于能够降低互连总线的条数、降低复杂度、减 小功耗、降低成本,能使系统可靠性提高,被应用于总线互联中。而作为3 c 技 术融合的核心接口电路,其技术和产品基本上都被国外公司所垄断,从而国家每 年都要花费大量的经费来购买,同时也不利于国家的信息安全。 目前,中国电路设计工程师也开始重视l v d s 技术的发展,其需求也在飞速 发展。例如银河巨型机的高速互连传输中就采用了l v d s 技术。国内几乎没有自 主设计的l v d s 核心电路和芯片,使用的基本上都是国外厂商提供的成品,目前 只有几家公司在进行l v d s 核心电路和芯片的研发工作,因此,推进l v d s 接口 电路自主研发和应用具有很大的实际意义。 本课题基于本学院一个芯片设计项目的子项目l v d s 接口电路芯片,针对目 前需求,对高速l v d s 接口电路的发送电路进行研究和设计。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 从上世纪九十年代以来,国外的各大公司已开始关注着接口电路研究与发展, 相继推出了许多相关产品,主要体现在三个方面:1 ) 垄断性强、产品丰富。l v d s 产品都被国外大公司,如m a x i m 、i n t e r s i l 、m i c r e l 、a g i l e n t 、t i 等占有,涵盖整 个接口电路,频率从几十兆到几吉,能够完全满足用户要求。2 ) 性能高。如2 5 g b p s 的l v d s 解串器,在o 1 8 u m 的工艺下,面积为1 2 3 0 u m 2 4 8 u m ,功耗为2 0 0 m w 。 3 ) 数据传输速度快。现在l v d s 接口电路数据转换速度已经达到了十几吉,还 在不断的增长! 针对通讯技术发展及3 c 融合的加快,国外公司加大了在该领域 的投入,领先优势不断扩大。 1 2 2 国内研究现状 从银河巨型机的高速互连传输使用l v d s 技术可以看出,中国电路设计工程 师已经开始重视l v d s 技术。但国内几乎没有自主设计的l v d s 核心电路和芯片, 使用的基本上都是国外厂商提供的成品。即使有,都仅仅研究领域集中在数据率 为2 g b p s 以下的产品,对于2 g b p s 以上数据率产品,没有推出。在高校中,陆续 在l v d s 高速接口电路上进行了许多理论研究,而且提出了一些接口电路设计方 案,但仅停留在2 g b p s 以下的研究,未见其相关产品的出现。 我国在高速接口电路的研究和产品开发方面已经远远落后于国外。接口芯片 作为总线互连的核心电路应用越来越广泛,必须加大投入,提升研究实力,才能 缩小i c 行业差距。 1 3l v d s 简介 l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 是一种低振幅差分信号技术, l v d s 接口又称r s 6 4 4 总线接口,是2 0 世纪9 0 年代出现的一种数据传输和接口 技术,使用的信号幅度约3 5 0 m v ,非常低。通过一对差分p c b 走线或平衡电缆 传输数据,具有低功耗、低辐射和高抗噪声等特点。l v d s 在对信号完整性、低 抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用。 l v d s 最早是由美国国家半导体公司提出的一种高速信号传输电平,此后, 2 第一章绪论 在下列两个标准中作了定义。i e e ep 1 5 9 6 3 标准,主要面向s c a l a b l ec o h e r e n t i 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 协议中数据包交换时的编码; a n s i t i a e i a 6 4 4 标准主要定义了l v d s 的电特性,并建议了标准推荐的最高数 据传输速率是6 5 5 m b p s 3 1 1 4 1 。通常l v d s 标准是以后者提供的为准。2 0 0 1 年又重 新修订发表了a n s i t i a e i a 6 4 4 标准,标准的参数如表1 1 所示【4 1 。 表1 1a n s i e i a e i a 6 4 4 标准表 s y m b o l p a r a m e t e rm i nm a xu n i t s v o o o u t p u td i f f e r e n t i a lv o l t a g e 2 5 04 0 0m v v o so u t p u to f f s e tv o l t a g e 1 1 2 51 3 7 5v 6 v o z ,c h a n g ei nv o l t a g e 5 0m v a v o sc h a n g ei nv o l t a g ev o s 5 0m v i 。,is b o u t p u tc u r r e n t 2 4m a i r o d r i s et i m eo 2 61 5n s tf f a l l t i m e o 2 61 5n s 厶 i n p u tc u r r e n t 2 0 a t h r e s h o l dv o l t a g e1 0 0m v i n p u tv o l t a g e o2 4v 1 4 本课题研究内容和安排 论文的研究目标是设计一款用于某芯片的l v d s 高速i o 接口电路单元中的 发送电路部分,此发送电路也可单独设计为芯片以供需求商使用。其指标必须符 合a n s i t i a e i a 6 6 4 标准,整个l v d s 接口芯片将最终用于此产品中。论文在 实现对整个发送单元电路研究设计的基础上,完成了对电路的仿真和版图设计, 3 电子科技大学硕士学位论文 可作为一款独立的数据发送芯片使用。 本论文进行了以下几方面的工作: ( 1 ) 研究掌握l v d s 的国际标准,及其发展趋势; ( 2 ) 深入了解深亚微米下a s i c 设计方法,熟练掌握相关的工具; ( 3 ) 研究l v d s 接口电路的系统架构,制定电路系统结构; ( 4 ) 研究并串转换电路结构,设计电路和版图; ( 5 ) 研究基准电压源电路原理和结构,设计电路和版图; ( 6 ) 研究高增益运算放大器原理和结构,设计电路和版图; ( 7 ) 研究缓冲电路以及辅助电路原理和结构,设计电路和版图; ( 8 ) 研究l v d s 驱动电路原理和结构,设计电路和版图。 本论文的安排如下: 第一章讲述了本课题研究背景与l v d s 研究的必要性以及l v d s 的标准定 义; 第二章介绍了l v d s 的原理及优点,以及本设计的l v d s 接口电路的系统结 构; 第三章设计并串转换电路; 第四章分析带隙基准电压源的原理与缺点,提出并采用非带隙基准源结构实 现电路设计及运算放大器、电压电流转换电路等辅助电路设计; 第五章缓冲电路和l v d s 驱动电路的原理和具体电路的实现; 第六章四个重要模块仿真及结果分析; 第七章整个接口电路的版图设计与验证; 第八章总结。 4 第二章l v d s 优点和整体电路结构 2 1l v d s 原理 第二章l v d s 优点和整体电路结构 l v d s 的基本工作原理图如图2 1 所示【5 】。驱动电路由一个高精度电流源f 电 流通常约为3 5 m a ,不超过4 m a ) ,通过一组n m o s 控制电流通过一组差分信号 线组成。接收器一般为高直流输入阻抗,全部的驱动电流都流经1 0 0q 的终端匹 配电阻,在接收器输入端产生约3 5 0 m v ( 最大4 0 0 m v ) 的电压。主要工作原理为: 当m 2 和m 3 管接高电位“1 ,m 1 和m 4 接低电位“0 ”时,m 2 和m 3 管导通,电 流源电流流过m 2 管,从电阻的a 端流向b 端,再由m 3 管流入地。当m l 和m 4 管接高电位“1 ,m 2 和m 3 接低电位“0 ”时,m l 和m 4 管导通,电流源电流流 过m l 管,从电阻的b 端流向a 端,随着驱动电路状态的反转变化,流经匹配电 阻的电流方向也随着改变,在接收端产生高低逻辑状态的变化【6 。8 】。 d 2 2l v d s 的优点 图2 1l 、,d s 原理图 首先,表2 1 提供了l v d s 与其他几种接口电路的i 生能t 9 j 。 5 电子科技大学硕士学位论文 表2 1l v d s 与几种接e l 的性能比较 参数l v d sr s 4 2 2p e c lt t l 输出电压摆幅( 典型值)+ 3 5 0 m v+ 2 v+ 8 0 0 m v2 4 v 接收器输入阈值士1 0 0 m v+ 2 0 0 m v士2 0 0 m v1 2 v 速度( m b p s ) 4 0 0 4 0 0 i d 2 ,根据基尔霍夫电流定律,i d l - i d 2 的差i 将流过m l 和m 2 管的输出阻抗r ( r = r ,r e ) ,造成v o u t 的值发生变化,从而引 起式( 5 1 5 ) 和式( 5 1 6 ) 中的v d s l 、v d s 2 以及v g s l 的改变,随着v d s l 、v d s 2 以及v g s l 的改变,最终会向使得i 减小到零的趋势变化,获得新的平衡状态, 但此时的v o u t 改变了一定大小,造成实际的输出偏离原来稳定状态的值,而且 会一直维持此状态,造成电路输出性能恶化【l 6 。 为了保证高速l v d s 驱动电路的性能,本设计采用了c o m m o nm o d ef e e d b a c k ( c m f b ) 技术来控制输出共模电平 1 4 - 1 7 】【3 2 】,输出一个精确、稳定的共模电压。 5 4l v d s 驱动电路设计 c m f b 技术,起初主要用于调节运算放大器由于失配而引起的输出共模电压 不能稳定的情况。这一原理可以用于对l v d s 驱动器输出共模电压进行控制,抑 制输出共模电压对数据速度和器件特性的敏感性,使之保持一个稳定值【l 5 1 。 设计l v d s 驱动器时,必须考虑驱动电路的动态性能1 3 3 】( 如差分信号的建立 时间、传输延时和抖动等) 和静态性能【3 3 】( 如差分信号的共模电压) 。动态性能 一般由所采用的c m o s 工艺决定,而静态性能可以通过电路设计来解决。为了达 到a n s i e i a e i a 6 4 4 所提出的l v d s 输出驱动标准,采用通过增加c m f b 电路 来控制输出的共模电平,确保输出信号的精确性和稳定性。 采用表3 1 中有关l v d s 驱动器的共模电平的推荐值范围内的1 2 5 v 为输出 共模参考电压,要求设计的基准源能够精确的提供一个精准的1 2 5 v 的基准电压 为c m f b 电路提供一个标准的参考电压,以稳定l v d s 驱动电路的输出共模电压, 其电路结构如图5 1 1 所示。 第五章缓冲电路与l v d s 驱动电路 i v d d ! v d d 、鑫 町b hm 8 i - 1 商。一口一 m 6 茹1 d 1 5 i 一一= i j l 。| l 瞰lm 1 2 ”i l :t 一 $ ; $ m 2 ar jl 。础v p r 1bj i + v n :f 1 2 5 t 州铲 t 生 i - - - - - - -节一韪p 誊 r 2 o _ i r1 l i v v 2 j繇 :a r i。 | 串m 1 0 j “a j v n 一 q 一臣 t 曩 m 4 、m i 黜器# 牛 m 1 3 州6f ; 4m 自卜上 司b。臣。l 一。: l 一j l 一 占”拦r 一i u ” i t il 一 上g - n dg - n d “ n r f r 图5 - 1 1c m f b 控制的l v d s 驱动电路 图5 1 1 中,p m o s 晶体管m 6 和n m o s 晶体管m 5 为l v d s 提供3 5 m a 的电 流源,v p 和v n 为输入的3 3 v 差分信号,电阻r 为终端1 0 0 q 匹配电阻。m 1 、 m 2 、m 3 、m 4 为四个相同的n m o s 晶体管,组成l v d s 驱动电路的电流输出控制 部分。 l v d s 驱动电路的主要工作原理为:当v p 输入为高电平,v n 为低电平时, m 2 和m 3 管导通,m l 和m 4 管截止,电流通过m 2 和m s 管形成一条通路,在电阻 r 上形成约3 5 0 m v 的电压降。反之,当v n 为高电平,v p 为低电平时,m l 和m 4 管导通,m 2 和m 3 管截止,电流通过m l 和m 4 管形成一条通路,在电阻r 上形成 约3 5 0 m v 的通路。该结构类似于双电流镜模式的l v d s 驱动电路,不同之处在 于采用了c m f b 技术来控制输出共模电平,输出更加稳定。 此驱动电路关键在于c m f b 电路部分的设计,该电路设计的精确性决定输出 共模电压的准确性和稳定性。在图5 1 1 中c m f b 电路由p m o s 管m 7 、m s 、m 1 2 以及n m o s 管m 9 、m l o 、m 1 1 、m 1 3 组成,其中,m 7 、m s 、m 9 、m l o 组成一个差 分放大器。在差分放大器的输入端,一端输入基准电压源参考电压( 1 2 5 v ) ,另 外一端输入l v d s 的输出共模反馈电压( 1 2 5 v ) ,m l l 为电流源,其栅电压由基 准源提供,m 1 2 和m 1 3 反馈电路控制m 5 的漏电流大小,当l v d s 输出共模电压为 1 2 5 v 时,整个差分放大器以及l v d s 驱动电路处于平衡状态,正常输出。此时, a 点电压为v a 。流过m 1 2 的漏电流大小为: 4 1 电子科技大学硕士学位论文 := 三所巳( 警) 。:( i 1 2 i i f ) 2 = j 1 所巳( 譬) 。:( 巧一l - i i ) 2 ( 5 - 1 7 ) i d l 2 为一定值,流过m 1 3 电流i d l 3 = i d l 2 。所以图5 1 1 中b 点电压大小为: = 。s = 结合式( 5 1 7 ) 和( 5 1 8 ) 可以得到: = + ( 5 1 8 ) 作巳( 等) 。:( i 圪一| - l i ) 2 鸬巳f ,孚 + 。 ( 5 1 9 ) 根据( 5 1 9 ) 可知,l v d s 驱动器的两个尾电流都由v a 大小控制,使m 6 管 及m 5 管的漏电流大小约为3 5 m a ,为l v d s 驱动器提供一个稳定的偏置电流。 当l v d s 输出共模电压发生变化时,差分放大器共模反馈电压输入端的电压偏离 1 2 5 v ,差分放大器会调整差分对管m 9 和m l o 的电流分配,造成m l o 管漏极电压 改变,改变的电压通过调整v b 和v a 电压大小来调整流经m 5 和m 6 管的电流大小, 整个电路通过负反馈使l v d s 输出共模电压向1 2 5 v 变化,从而稳定l v d s 的输 出共模电压,使之等于1 2 5 v 。 为了使驱动电路的性能得到改善,在电路中增加了滤波电容,保证电路状态 在变换时,输出电流、电压更加稳定,l v d s 输出信号也更加稳定。 4 2 第六章电路仿真与结果分析 6 1 仿真方法 第六章电路仿真与结果分析 在实际模拟电路设计中,由于工艺误差及环境的改变,不同的芯片m o s 管 参数有很大的差异,给电路设计和仿真带来很大的问题。为了保证芯片能够在 定的范围内正常工作,以报废超出该性能范围的芯片的措施来控制预期的参数变 化。该范围是以p r o c e s sc o m e r 的形式给出:把n m o s 和p m o s 晶体管以及电阻、 电容等器件波动范围限制在四个角所确定的矩形内。这四个角分别是:快n f e t 和快p f e t ( f n f p ) 、快n f e t 和慢p f e t ( f n s p ) 、慢n f e t 和快p f e t ( s n f p ) 、 慢n f e t 和慢p f e t ( s n s p ) 1 6 3 4 - 3 6 ,如图6 1 所示。 p f e t jl 筐度 雹h f p f n i 甲 黝 。 , 岛i s puu f n s i : 册 接受的 屠片 度 图6 1 器件的工艺角 由于温度的变化对m o s 管的工作特性( 特别是迁移率) 影响很大,温度越 低,迁移率越高;温度越高,迁移率却越低。根据s m i co 1 8 m 工艺提供的温 度范围,电路在4 0 c 8 0 范围工作。由于在实际电路中电源由外部引入,其波 动对电路产生一定的影响,根据s m i c0 1 8 t m 工艺提供的工艺角,电源变换误 差为1 0 。为了提高芯片成品率,在各种工艺角、极限温度和电源波动范围内对 电路进行仿真是必不可少的。 4 3 电予科挂大学两士学位论文 s m i c o 1 8 _ m 工艺提供了三种极限仿真m o d e l ,它们分别为: 1 、t t ( 埘i p ) :典型条件下的仿真,温度为2 7o c ; 2 、f f ( f n f p ) , 极快条件下的仿寞,温度量j 4 0o c : 3 、s s ( r a s p ) :极慢条件下的仿真,温度为8 0 c ; 在整个电路中,为了保证芯片能够得到一个精确的值,对芯片起重要作用的 几个关键部分即并串转换电路、基准电压源、l v d s 驱动电路分别进行了仿真 6 2 并串转换电路仿真与分析 该部分电路主要关注其输出数据的准确性,使用两种最常见的8 位数据对电 路进行仿真并加以说明。 圈6 2 为标准的输入时钟与八位输入数据“1 0 1 0 1 0 1 0 ”波形图。 图6 - 2 输入数据和时钟波形 图6 - 3 显示的是当输入数据为4 1 0 1 0 1 0 1 0 ”时,串并转换电路的输出波形。 田6 - 3i o l o l o l o 的输出渡形 由羲据关系可以知道,每八位串行输出数据与2 5 g 标准时钟波形一致。扶图 6 3 可以看出,每经过八位数据采样,都会出现一个二倍时钟宽度的跳变原因 “ 第亢章电路仿真与结果丹析 是,当八位数据转换为高速串行数据时,时钟又会开始对第一位数据进行转换 此时,第一位数据刚好发生逻辑转换,从而引起输出电平宽度的改变。 图6 - 4 为输入数据为“1 1 1 1 0 0 0 0 ”和输入时钟的波形图。 畏景黑:爱= 图6 4 输入数据和时钟波形圈 图6 - 5 为输入数据为“1 1 1 1 0 ( d o ”的输出波形。 曼! ! 曼要三 图岳51 1 1 1 0 0 0 0 的输出波形 根据输入数据的关系,其串行输出数据应该为一个占空比为5 0 的标准方波。 从图6 - 5 可以看出最终输出数据为一个占空比为5 0 的标准方波,为所希望的 输出波形。 本电路还通过v e r i l o g 语言编写的随机码对电路进行测试,输出波形达到了设 计要求,在此不一一列出。 6 3 非带隙基准电压源仿真与分析 通常设计的基准电压源,最重要指标是温漂系数,单位以p p m ( p a r tp e r m i l l i o nc e l s i u s ) 表示。在深亚微米工艺下,现在已有技术可以实现零温漂值的补 电子科技大学硕士学位论文 偿基准电压源。在此对基准电压源进行了三种仿真。 图6 - 6 为n 模式下对基准电压源电路进行的仿真结果 图6 - 6 n 模式的输出波形 图6 - 7 为在f r 模式下的仿真结果。 图6 4 甘模式下的仿真结果 图6 - 8 为在s s 模式下的仿真结果。 图6 - 8 嚣模式下的仿真结果 在图6 - 6 、图6 - 7 和图6 8 中,基准输出电压与温度的关系如表6 - l 所示 蔓六章电路仿真与鲒r 分析 表岳l 三种模式下v r e f 的温漂系数 i 模式输出最大电压( v )输出最小电压( v ) 温漂系数 ( p p m c ) l 札1 1 0 0 0 6 11 0 9 7 9 8 21 7 - 3 f f 1 0 9 0 6 1 91 0 7 9 6 1 89 1 7 s s 1 1 6 8 7 2 31 1 6 2 5 4 1 5 1 5 可见,此基准电压源很好的抑制了温度的变化,提供了稳定的输出基准电压。 对基准电压潦,另一个需要关心的问题是它的电源抑制比i 捕,图6 - 9 描述了 基准电压源对电源波动的抑制能力。 圈6 - 9 基准源的p s r r 在图6 - 9 中,电压的变化范围为30 36 v ,输出电压v r e f 的变化范围为 10 9 7 1 1 0 9 8 6 v ,p s r r 5 3 d b 。 64 运算放大器仿真与分析 在电压电流转换模块中,需要用到一个高增益的运算放大器来实现基准电压 - 电流的转换,运算放大器的工作性能对整个电路的影响非常大,在此,对运算放 大器的工作特性进行测试,对于运算放大器,其增益、相位裕度以及p s r r 是最 为关心的问题,分别对其进行测试。 电子科技大学硕士学位论文 图6 - 1 0 运放增益与相位关系 从图6 - 1 0 中可以看出,运放的低频增益为7 7 6 d b ,相位裕度为6 1 度。 同时,图6 - 1 1 为针对运放的p s r r 进行测试。 2 二三二一 一 丘 口 田6 - 1 1 运放p s r r 铡试 从图6 - 1 1 可以看出,在低频时运放的p s r r - 1 2 9 3 d b ,当频率超过1 0 h z 后 降低到1 0 7 d b ,当频率进一步升高到1 0 i c a i z 后其抑制特性下降,主要原因在于, 在高频时,补偿电容的阻抗下降得非常厉害,导致从电源电压到输出的增益近似 等于1 ( 忽略补偿电阻r 值) 。所以,在版图设计的时候要注意加入一些补偿电容 抑制高频信号对电源电压的影响,使运算放大器的电源电压更加平稳,保证运放 的工作特性。 第六章电路仿真与结果分析 6 5i v d s 驱动电路仿真与分析 l v d s 驱动电路,本设计的核心电路,其输出数据稳定与否决定了设计的好 坏。仿真中,分别使用了t t 、i f , 鹞三种模式对其性能进行了测试。 图6 - 1 2 所示为t l 模式下l v d s 驱动电路的测试结果。 图6 - 1 2 i t 下l v d s 输出波形 从图6 - 1 2 中可以看出,输出波形的共模电压约为1 2 5 v ,满足设计指标。同 时,从图中看出,在信号跳转的时候有约0 0 4 v 的毛刺,引起这个毛刺的原因是 m o s 管引入的寄生电容的充放电引起的,此毛刺不会对输出结果产生影响。 图6 一1 3 所示为在丘模式下l v d s 驱动电路的测试结果。 图6 - 1 3 贯下l v d s 输出渡形 从图中可以看出,在行模式下,共模输出电压有所变化,但输出的差分仍然 保持约3 5 0 m y 电压值。 图6 1 4 所示为s s 模式下l v d s 驱动电路的输出波形。 电子科技大学硕士学位论文 图6 - 1 4 器下l v d s 输出波形 从该图可以看出,在s s 模式下,共模输出电压也有所变化,但输出的差分仍 然保持约3 5 0 m v 电压值。 图6 - 1 5 所示为t t 模式下的共模输出电压图。 一 图6 - 1 5 输出共模电压与时间关系 从该图可以看出,开始的时候共模输出电压为1 2 3 3 v ,随着c m f b 的影响, 输出共模输出电压逐渐上升到1 2 4 3 v 并处于稳定状态,误差为7 m v ,在规定范 围内( 小于5 0 m v ) 。产生误差的原因在于器件受到工艺的影响、差分放大器的输 入失调电压以及偏置电流误差等因素引起的。 三种模式下的仿真数据如表6 - 2 所示。 第六章电路仿真与结果分析 表6 - 2l v d s 驱动仿真结果比较 参数 意义t t 模式行模式s s 模式 单位 v o o 差分输出电压 3 4 54 1 0 3 7 5 m v 输出共模电压 1 2 4 31 2 6 51 2 6 1v l o s 输出短路电流 6 56 86 1m a i 嚣 偏置电流 3 74 13 3m a 通过对三种情况输出结果的仿真可以看出,所有测试结果都在参数要求的范 围内,确定了电路设计的可靠性,有利于提高芯片的成品率。 5 l 电子科技大学硕士学位论文 第七章版图设计与验证 本章首先介绍版图设计的基本概念、类型以及流程。其次描述版图设计中要 注意的问题和版图的验证方法。分别给出通过d r c 、l v s 和e r c 验证的最终版 图。 7 1 版图设计概念 版图【3 6 。8 1 是将所设计电路的逻辑关系按照工艺的要求转化成一个实际的图 形,包含电路的几何尺寸和连接关系。它是很多层组成的一套互连几何图形,不 同层的版图对工艺有不同的要求,工艺商根据版图的信息来进行光刻、掩膜,制 成芯片。版图与制造工艺密切相关,不同的工艺有不同的版图规则,在进行电路 设计前,要确定所采用的工艺,才能正确设计出与版图设计相对应的电路结构图,

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