（微电子学与固体电子学专业论文）基于高速lvds的串并转换电路设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，数据量越来越大，传统的i o 接口由于自身的限制越来 越不能满足现实需求。低压差分信号传输技术( 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 ， l v d s ) 具有低噪声、低功耗、高可靠、节省成本和强集成能力等优点，因此成为了 解决i o 接口问题的一种新技术。 本文基于a n s i t i a e i a 6 4 4 标准，研究了基于高速l v d s 的串并转换电路。 在此基础上，根据功能将其分为l v d s 接收电路和串并转换电路两个主要模块。 在l v d s 接收电路中，通过e s d 保护电路、轨对轨放大电路、迟滞比较电路、整 形缓冲电路和失效保护电路的设计，完成了将2 5 g b p s 的l v d s 信号转化为c m o s 信号的工作。仿真结果表明，整个l v d s 接收电路的延时为0 4 5 n s ，上升时间为 0 0 4 n s ，下降时间为0 0 3 n s ，占空比为3 7 ：3 6 ，满足设计要求。 在串并转换电路中，为了满足高速和低时钟的要求，采用一种树型结构和移位 寄存器结构级联的串并转换电路。通过占空比为l ：4 的5 分频器、树型结构串并转换 电路和移位寄存器结构串并转换电路的设计，将l 路2 5 g b p s 的数据转化为1 0 路 2 5 0 m b p s 的数据。仿真结果表明，整个串并转换电路的功能正确，满足设计要求。 此外，本文在版图方面进行了研究，对匹配、串扰、噪声、寄生效应、闩锁 效应和天线效应分别进行了论述，给出相应的解决办法。并基于1 p 8 m0 1 3 1 x m c m o s 工艺，采用全定制完成了版图设计。l v d s 接收电路版图面积为7 4 x 9 6 比m 2 ， 满足i o 标准；串并转换电路版图面积为8 0 8 3 9 m 2 。后仿真结果表明，本文设 计的串并转换电路满足要求。 关键词：l v d s ，接收电路，串并转换，版图，后仿真 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 ，t h ea m o u n to fd a t at r a n s m i s s i o n i sm o r ea n dm o r ei n c r e a s i n g d u et oi t sl i m i t a t i o n s ，t h et r a d i t i o n a li oi n t e r f a c e sc a nn o t m e e tp e o p l e sn e e 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 lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sl o w n o i s e ，l o wp o w e r , h i g hr e l i a b i l i t y ，s a v i n gc o s ta n ds t r o n gi n t e g r a t i o nc a p a b i l i t y s oi t b e c o m e san e w t e c h n o l o g yt ot h es o l u t i o no fi oi n t e r f a c e t h i sp a p e rw h i c hs t u d i e st h e d e s e r i a l i z e rb a s e do nh i g hs p e e dl v d si su n d e r a n s i t i a e i a - 6 4 4 o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n , i tc a nb ep a r t e dt w om a i n m o d u l e s - t b er e c e i v ec i r c u i to ft h el v d sa n dd e s e r i a l i z e r i i ll v d sr e c e i v e rc i r c u i t , t h ee s dp r o t e c t i o n c i r c u i t ，r a i lt or a i la m p l i f i e r , c o m p a r a t o rc i r c u i t ，s h a p i n g - b u f f e rc i r c u i t sa n df a i l - s a f ec i r c u i t st r a n s f o r m2 5 g b p so f l v d ss i g n a l si n t oc m o ss i g n a l s t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h el v d sr e c e i v e rc i r c u i td e l a y 0 4 5 n s t h er i s et i m ei s0 0 4 n s ，a n dt h ef a l lt i m ei s0 0 3 n s ，d u t yc y c l ei s3 7 ：3 6 i tm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i nd e s e r i a l i z e r , i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hs p e e da n dl o wc l o c k r e q u i r e m e n t s ，i ti sw o n d e r f u lt ou s eat r e es t r u c t u r ed e s e r i a l i z e ra n dr e g i s t e rs t r u c t u r e d e s e r i a l i z e r s t h r o u g ht h ed u t yc y c l eo f1 ：4d i v i d e r ( d i v i d e - b y - 5 ) ，t r e e s t r u c t u r e d e s e r i a l i z e ra n dr e g i s t e rs t r u c t u r ed e s e r i a l i z e r ，i tc o m p l e t e dd o w nt oa2 5 g b p sd a t ai n t o t h ed a t ao f10m a d2 5 0 m b p s t h r o u g hs i m u l a t i o n , i th a st h ec o r r e c tf u n c t i o na n di ti s e n o u g ht om e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b e s i d e s ，l a y o u ti sr e s e a r c h e di n - d e p t h d i s c u s s i n gt h em a t c h i n g ，c r o s s t a l k ，n o i s e ， p a r a s i t i ce f f e c t s ，t h el a t c ha n da n t e n n ae f f e c t , ig i v ea p p r o p r i a t es o l u t i o n s t h ed e s i g n b a s e do n1 p 8 m0 13 1 a mc m o sp r o c e s si sc o m p l e t e du s i n gf u l l c u s t o ml a y o u tm e t h o d l a y o u to ft h el v d sr e c e i v e rc i r c u i ti s7 4 x 9 6 t m 2a n di tm e e t st h es t a n d a r do fi o l a y o u to ft h ed e s e r i a l i z e ri s8 0 x 8 3 a m 2 p o s t - s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ed e s e r i a l i z e r m e e t st l l ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：l v d s ，r e c e i v e r , d e s e r i a l i z e r , l a y o u t ，p o s t s i m u l a t i o n 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：兰巳牵扯 日期：少，d 年月，日 论文使用授权 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：盈盔导师签名： 日期：少加 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在信息时代的今天，硅工艺技术已经使芯片内的时钟频率和微处理器的速度 高达几吉赫兹，但是芯片外部i o 接口电路的数据率受到电路以及传输线的限制却 未能得到同步的提高。除此之外，在军事空间通讯领域，雷达的应用需要高速的 数据采集和传输，也对传输接口技术提出了很高的要求。因此，传输接口技术已 成为微电子领域的研究热点之一。 目前存在的点对点的物理层接口的传输标准主要有以下几种 i - 3 ：r s 一4 2 2 、 r s 4 8 5 、p e c l 、t t l 和s c s i 。由于在噪声、功耗、成本、速度等方面存在一定 的限制，所以需要寻找一种传输速度快、功耗低、成本低、噪声小的接口电路。 低压差分信号( l v d s ) 这种高速低功耗接口标准为解决这一问题提供了可能。特别 是最近3 g 技术的普遍应用，l v d s 由于其高速度、低功耗、低成本，被广泛应用 于总线互联中。目前国内l v d s 产品都集中在g h z 以下i 而对于更高速率，更高 传输精度要求的产品都被国外公司垄断，国家需要花费大量的金钱去购买，而且 危害国家的信息安全。所以开发高速、高精度的l v d s 产品迫在眉睫。 随着传输数据量的增多，传统的并行接1 2 1 存在两大瓶颈而制约其发展1 4 j 。第一、 并行数据需要共享总线，所以面临多路选择和多负载驱动的问题，很可能引起信 号反射，导致信号完整性变差。而且一般都是单端走线而非差分走线，所以产生 很多干扰和噪声，很容易导致信号不能正确的发送和接收。第二、高速的并行数 据传输需要时钟同步。在设计时序时，必须考虑很多因素，比如信号的传输延时； 时钟信号的抖动和偏差；数据的建立时间和保持时间等等。随着数据率的增加和 传输距离的变长，造成建立时间和保持时间的变长，从而系统冗余变的越来越小， 甚至不能正常工作。所以现在普遍采用s e r d e s 技术作为高速的接口技术。 s e r d e s 是英文s e r i a l i z e r ( 串行器) 和d e s e r i a l i z e r ( 解串器) 的简称。在发送端将低 速的并行数据转化为高速的串行数据方便传输，在接收端将高速的串行数据重新 转化为低速的并行数据，供芯片内部使用。这种传输方式可以充分利用传输媒体 的信道容量，减少传输信道和器件的引脚数目，从而大大降低数据传输的成本。 本课题设计一款基于高速l v d s 的串并转换电路，采用l v d s 接收电路来接 电子科技大学硕士学位论文 收2 5 g b p s 的l v d s 信号，并通过串并转换电路实现1 路2 5 g b p s 数据转化为1 0 路2 5 0 m b p s 的数据。具有一定的创新性和较大的科研和市场价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 l v d s 是上世纪9 0 年代提出的一种数据传输和接口技术，最先由美国国家半 导体提出，并于1 9 9 6 年成为i e e e 标准。目前国际上对l v d s 研究非常深入和广 泛，几乎涵盖了所有的l v d s 产品。国家半导体公司和德州仪器是l v d s 技术市 场的领导者，他们针对不同的需要，推出了一系列的基于l v d s 的接口芯片，频 率从几十兆到几吉，能够满足不同用户的要求。其他的公司也在l v d s 方面增加 科研投入，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 等都想增加自己在l v d s 方 面的市场份额，在l v d s 技术应用上也逐渐成熟。 国外各大公司的l v d s 产品速度非常高，国家半导体公司的d s 6 4 e v l 0 0 、 d s 6 4 e v 4 0 0 、d s 8 0 e p l 0 0 三款产品的传输速率已经达到1 0 g b p s 以上f 5 l 。整体看来， 国外l v d s 产品主要体现在以下两个方面：第一、产品丰富，几乎垄断了所有l v d s 产品，如美国国家半导体公司推出了一系列频率从几十兆到几吉的l v d s 产品， 几乎能够满足所有用户对频率的需求；第二、性能高，如德州仪器的s n 6 5 l v d s 2 0 ， 传输速率达到4 g b p s ，抖动小于4 5 p s ，延时小于6 3 0 p s ，功耗只有4 0 3 m w 6 1 。 在科研方面：u w ev o g e l ，r o l f j a h n e 等提出了应用于同步光纤网络和同步数字 层级的l v d s 接收器。通过轨对轨的输入级可以接收1 2 5 g b p s 的l v d s 信号 7 1 。 g u n j a nm a n d a l 和p r a d i pm a n d a l 提出了一种应用于物理层接口的低功耗l v d s 接 收器。接收器可以接收共模范围是0 0 5 v 到2 3 5 v 的l v d s 信号。摆幅为1 0 0 m v 的l v d s 信号也可以被正确接收。在0 1 3 u r nc m o s 工艺下，采用3 3 v 和1 2 v 的 氧化层器件，功耗为1 1 m w t 引。k w a n - w o oy o o 和j e o n gb e o mk i m 设计一款高速 l v d si o 接i i 。在0 3 5 u r n 的c m o s 工艺下，可以发送和接收2 5 g b p s 的l v d s 信号。l v d s 接收器通过望远镜式放大器实现l v d s 信号的接收【9 。 国外公司对s e r d e s 投入较早，具有丰富的产品和很强的垄断性。m a x i m 、 m i c r e l 、t i 、a g i l e n t 和i n t e r s i l 几乎垄断了所有的s e r d e s 产品。频率从几十兆到几 十吉，带宽从几位到几十位的s e r d e s 产品都有，几乎可以满足整个接口电路领域 的应用。随着3 g 融合的加快和通讯技术的发展，国外很多公司在s e r d e s 领域投入 2 第一章绪论 越来越多，领先优势越来越大。 在科研方面：n g u y e nt h ih a n gn g a , m i nh y u kl e e ，t a e - w o ol e e 等提出了一种 移位寄存器和树型结构混合的s e r d e s 电路。m u x 和d e m u x 相同的模块得到 共享从而降低了功耗。m u x 的功耗降低6 3 ，d e m u x 的功耗降低3 7 。整体电 路可以工作在10 g b p s 条件下【1 0 】。y i f e il u o ，g a n gc h e n 和k u a nz h o u 在2 0 0 8 年提 出6 0 g b p s 低抖动1 ：4 d e m u x 和4 ：1 m u x 。通过一个4 分频的时钟来实现转换， 大大减小了整体电路对时钟的要求。m u x 的抖动为2 2 p s 。基于o 1 8 p ms i g e b i c m o s 工艺，d e m u x 功耗为8 5 m w ，m u x 功耗为1 4 0 m w l l l j 。b y u n g g u kk i m , l e e - s u pk i m 和s a n g j i nb y u n 在2 0 0 8 年提出一种2 0 g b p s 无电感的1 ；4d e m u x 。 对共享电流源和共享缓冲器的锁存器可以提高信号的带宽。在0 1 3 p m 工艺下， 功耗为2 10 m w e l 2 】。t a k a y u k is e k i g u c h i 。s h u h e ia m a k a w a 和n o b o r ui s h i h a m 在2 0 0 9 年提出2 5 g b p s 的l ：4 d e m u x 。在9 0 n m 工艺下，功耗为8 9 m w 。通过新型的锁 存器来设计d e m u x 。整体面积为2 9x4 0 m 2 1 3 】。a m i n e y a m a l ，t s u z u k i 和h i t o 等在2 0 0 9 年提出一种2 0 g b p s 的近似轨对轨摆幅d e m u x 。多相时钟结构需要的 时钟频率低而且可以减少锁存器的个数，从而降低d e m u x 的功耗和面积。整体 功耗为9 5 m w ，面积为4 0 x 7 0 , u r n 2 1 4 l 。 1 2 2 国内研究现状 国内对l v d s 需求是很大的，如3 g 主干网、f t t h 、f t t b 等都需要用到l v d s 接口的s e r d e s 芯片。但是由于很多原因，国内很少有自主研发的l v d s 产品， 即使有，传输率也小于2 5 g b p s 。因此，国内使用的l v d s 接e l 芯片大部分都是购 买国外公司的产品。近年来，国内的很多高校和研究所都开始重视l v d s 技术。 尤扬和陈岚在2 0 0 7 年提出一种高性能l v d s 接收电路，主要解决了传统l v d s 接 收电路在电源电压降至3 3 v 以下时不能稳定工作的问题。电路可以接收共模范围 是0 0 5 到2 3 5 v 的l v d s 信号。传输速率为1 6 g b p s ，平均功耗为1 1 8 m w 【l 川。张 家川，刘伯安在2 0 0 7 年设计高速多电平l v d s 收发器。发送器可以5 电平形式发 送数据，接收器通过内部的数控增益和自动增益控制电路将接收到的信号恢复为 一个固定幅度的信号供下一级a d 转换为数字信号。这个收发器可以传输 3 1 2 5 g b p s 的数据1 1 6 。f e n gz h a n g ，z o n g r e ny a n g ，w df e n g 等在2 0 0 8 年提出了一 种高速l v d s 发送器和轨对轨结构的接收器。发送器通过共模反馈来稳定公模电 压。即使工艺、温度和供电电压变化，发送器仍可发送1 6 g b p s 的数据。接收器通 电子科技大学硕士学位论文 过轨对轨放大器来接收1 6 g b p s 的数据。在0 1 8 u r nc m o s 工艺下，发送器的功耗 为3 5 m w ，接收器功耗为6 m w 【1 7 】。卞振鹏，姚若河和郑学仁等在2 0 0 8 年提出一 种1 g b p s 低功耗轨到轨的m i n i l v d s 接收器。利用新型的差分输入级实现了轨对 轨的输入，通过共用负载管的n m o s 和p m o s 输入对来接收信号，二极管连接的 负载管钳制稳定了输出的共模、差模。而且输入级增益不受偏置电流制约【1 8 1 。殷 弼君，李苗在2 0 0 8 年设计用于网络通信的l v d s 收发器。通过低功耗和低共模电 平偏移的技术设计l v d s 信号接收器和发送器。可以传输2 0 0 m b p s 的数据【1 9 1 。w a n g x i h u ，w ul o n g s h e n g ，l i uy o u b a o 在2 0 0 9 年提出可以工作在2 g b p s 以上的l v d si o 接口。在发送电路部分，通过新型的共模反馈电路来稳定输出的共模电压。在接 收电路部分，为了获得足够大的增益，通过三级放大器来实现。接收电路和发送 电路都可以传输2 g b p s 和2 5 g b p s 的数据。发送器和接收器的功耗分别为1 3 2 m w 和8 3 r o w t 2 0 l 。 国内公司在s e r d e s 方面投入非常少，产品几乎都是数据率为1 g b p s 以下的。 很少有推出数据率为2 g b p s 以上的产品。在科研方面：马鸿开、陈岚和刘力珂2 0 0 7 年完成1 0 g b p s 的高速s e r d e s 电路的m u x d e m u x 设计。主要由锁存器、选择 器和时钟分频器3 个模块构成。在1 8 v 的电源电压条件下，m u x 功耗是1 3 2 m w ， d e m u x 功耗为6 4 m w 2 1 】。y u - h a oh s u ，m i n g - h a ol u , p i n g l i ny a n g 等2 0 0 8 年提 出一款2 8 g b p s 4 x 4 的低抖动s e r d e s 。在0 1 3 b t mc m o s 工艺下，通过节省面积 的r f 模式，比普通r f 模式面积减小一半【2 2 1 。x i a o l e i ，l i uw 西和y a n gl i a n x i n g 在2 0 0 8 年提出了一种用于s e r d e s 电路的低抖动环形振荡器。提出一种新结构的 延时单元，从而降低s e r d e s 的抖动。在0 3 5 9 t nc m o s 工艺下，2 5 g b p s 的随机 抖动均方值为2 3 p s l 2 3 1 。洪建勋，周建新，陈水平等2 0 0 9 年提出一种基于微环谐 振器的光分组头串并转换方法。采用环层叠和多级级联结构设计环形谐振器，在 正弦控制电压的作用下产生一个较窄的开关窗口，实现了光分组头的串并转换。 在开关窗口宽度、消光比和插入损耗分别优于1 4 9 p s ，3 6 4 d b 和l d b 的条件下， 可以转换1 6 0 - 4 0 g b p s 和4 0 1 0 g b p s 的数据1 2 4 。王垫，许文强和马卓在2 0 0 9 年设 计一种p c ie x p r e s s 中的2 5 g b p s 的s e r d e s 。采用基于锁相环结构的数据时钟恢复 技术设计了一款2 5 g b p s 的物理层电路。抖动的均方根为1 1 5 p s ，峰峰值为 8 1 4 p s l 2 5 j 。刘玮，肖磊和杨莲兴2 0 0 9 年设计一款低抖动的1 2 5 g b p s 串并并串转换 接收器。通过带有频率辅助的双环时钟数据恢复电路，f l l 扩大了时钟数据恢复 电路的捕获范围，基于三态结构的鉴频鉴相从1 2 5 g b p s 非归零数据流中提取时钟 信息，驱动一个三级的电流注入环形振荡器产生1 2 5 g h z 的低抖动时钟。引入均 4 第一章绪论 衡器降低了抖动。1 盯随机抖动为7 3 p s ，全部抖动为5 8 m u i p 6 】。 1 3 论文的主要工作 在对l v d s 接口相关理论研究的基础上，设计一款基本符合a n s i 厂r i 舰队6 4 4 标准的高速l v d s 接收电路并完成串并转换。完成了从电路设计到版图设计的全 部工作。此电路作为i p 是某协议转换芯片的一部分。 进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 在深入研究l v d s 相关理论的基础上，制订基于高速l v d s 的串并转换电 路系统结构； ( 2 ) 研究l v d s 接收电路结构，确定l v d s 接收电路整体结构； ( 3 ) 研究e s d 保护电路、轨对轨放大器、迟滞比较电路、整形缓冲电路和失效 保护电路，设计电路； ( 4 ) 研究串并转换电路结构，确定串并转换电路的整体架构； ( 5 ) 研究移位寄存器结构、树型结构串并转换电路和分频器，设计电路。 ( 6 ) 完成整个基于高速l 、s 的串并转换电路版图并对串并转换电路进行了后 仿真。 1 4 论文的结构 重点介绍了基于l v d s 的串并转换电路的设计和实现，共分为五章： 第一章为绪论。介绍了本课题研究背景及意义，l v d s 的国内外研究现状，说 明了研究l v d s 的目的和意义，最后简要介绍了课题的主要工作。 第二章为l v d s 相关理论。介绍了f o 工作原理、l v d s 简介以及l v d s 优点。 第三章为基于高速l v d s 的串并转换电路设计与仿真。首先介绍了整体电路 结构，然后介绍了l v d s 接收电路和串并转换电路的设计与仿真。 第四章为版图设计与验证。首先介绍了版图设计的相关理论，然后介绍了基 于高速l v d s 的串并转换电路版图，最后介绍了串并转换电路的后仿。 第五章为总结。回顾和总结了本次课题设计，并对电路性能的持续改进和提 高提出了一些想法。 电子科技大学硕士学位论文 2 1l o 工作原理 第二章l v d s 相关理论 i o ( i n p u t o u t p u t ) 端口从字面意思上讲是输入输出端口。主要有两个功能f 2 7 】： 第一、从引脚( p a d ) 输入的信号电压一般比较高，需要经过降压才能输入到系统内 核( c o r e ) ；第二、系统内核( c o l 也) 里面的信号电压一般比较低，需要经过升压才 能够输出到引脚( p a d ) 。根据引脚和系统内核电压的不同，选用不同的i o 来完成 电压的转化。系统内部器件的电压通常比较低，一般是1 0 v i 2 v 1 8 v ，而i o 上 器件的电压通常比较高，一般是5 v 3 3 v 2 5 v 。本文所提出的基于高速l v d s 的 串并转换电路，就是根据i o 标准进行设计的。i o 上局部电压是3 3 v ，系统内核 电压都是1 2 v 。 i o 接1 1 1 1 由于和空气接触，容易积累电荷，所以经常要面临e s d ( 静电放电) 保 护的问题。静电一般是由绝缘体之间摩擦或者是绝缘体与空气进行摩擦产生的。 当积累到一定程度，绝缘体不能阻碍他中和的时候，就会发生放电，即静电放电 ( e s d ) j 。静电放电的电压可以达到上万伏，必定损害静电敏感器件。所以e s d 已经成为器件可靠性的个极为重要的问题，特另| 是随着器件尺寸的减小和复杂 混合信号集成的增加，e s d 保护变得越加的重要。 e s d 由于产生的原因和放电的方式不同，被分为以下四种【2 9 】：第一是人体放 电模式；第二是机器放电模式p o ；第三是组件充电模式；第四是电场感应模式。 其中主要的三种放电模式在集成电路中的e s d 规格如表2 1 所示： 表2 - 1 集成电路产品的e s d 规格【2 9 1 人体放电模式机器放电模式组件充电模式 o k e y 2 0 0 0 v 2 0 0 v1 0 0 0 v s a f e4 0 0 0 v4 0 0 v1 5 0 0 v s u p e r 1 0 0 0 0 v1 0 0 0 v2 0 0 0 v e s d 电流大部分都是来自外部( 除了组建充电模型) ，所以p a d 旁边通常都要 设计e s d 保护电路f 3 。e s d 保护电路一般都设计在i o 的内部，包括两部分：输 入接收器( h l p u tr e c e i v e r ) 和输出驱动器( o 唧u td r i v e r ) ，如图2 1 所示。e s d 通过引 6 第二章l v d s 相关理论 脚引入芯片内部，所以i o 里的器件只要和引脚相连，就必须建立和自身平行的 e s d 低阻旁路。如果e s d 发生，产生的电荷被引入电压线，通过电压线，电荷流 到各个引脚，保护了内部器件不受损害。e s d 放电时，放电通路的电阻必须非常 小，才能够足够快的将电荷流到各个引脚，而且保护电路的电压必须立即被有效 的钳位。除此之外，e s d 保护电路不能影响内部芯片的正常工作。 2 2l v d s 简介 i i 午内部 l j 言号 一 习卜 陟输入_ l j y 午内部 | 皇且_ l , 卜 口- g 输出驱动 图2 1i o 电路示意图 v d d 接收器 v s s l v d s 是2 0 世纪9 0 年代才出现的一种数据传输和接口技术。其核心是用低的 电压摆幅( 几百毫伏) 差动的传输数据，具有低噪声、低功耗、高可靠、低成本和集 成能力强的优点【3 l 。 严电流源模式l v d s 驱动鹌 r 一一一一一一一一一一一一l i l j 图2 - 2l v d s 的工作原理示意图 7 电子科技大学硕士学位论文 l v d s 的工作原理如图2 2 所示，整个驱动器由两个3 5 m a 的恒流源驱动。 m 1 、m 2 、m 3 、m 4 为n m o s 管。工作状态为m 1 、m 4 导通，m 2 、m 3 截至，3 5 m a 的电流从下往上流过1 0 0 欧姆的电阻；或者m 2 、m 3 导通，m 1 、m 4 截至，3 5 m a 的电流从上往下流过1 0 0 欧姆的电阻。从而在接收器的输入端产生了3 5 0 m v 的 电压，即形成一个有效的“1 ”或“0 ”的逻辑状态。完成了将c m o s 信号转换为 l v d s 信号【3 2 1 。而接收器将低压差分信号( l v d s ) 转化为标准的单端c m o s 信号，送 到芯片内部进一步处理。 l v d s 最早由美国国家半导体提出的一种高速数据传输标准，后来在两个标准 中对l v d s 做了定义。一个是i e e ep 1 5 9 6 3 标准【3 3 j ，一个是a n s i t i a e i a - 6 4 4 标准【3 4 1 。i e e e p 1 5 9 6 3 标准最主要面向可扩展一致性接口，定义了l v d s 的电特 性和s c i 协议中数据包交换时的编码；a n s i f r l a e i a 6 4 4 标准也定义了l v d s 的 电特性，还推荐数据传输速率尽量小于6 5 5 m b p s 。通常意义说的l v d s 标准指的 是后者。2 0 0 1 年a n s i t i a e i a 6 4 4 标准被重新修订，如表2 2 所示。 表2 - 2a n s u e i a e i a 6 4 4 标准【3 4 1 s y m b o l p a r a m e t e rm i nm a x u n i t s 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 j o u t p u to f f s e tv o l t a g e 1 1 2 51 3 7 5v a c h a n g ei nv o l t a g e 5 0m v a c h a n g e i nv o l t a g e 5 0m v i 豫，i 西 o u t p u tc u r r e n t 2 4m a r i s e t i m e o 2 6 1 5n s t f z o o f a l lt i m e o 2 61 5n s 厶i n p u tc u r r e n t 2 0 a a t h r e s h o l dv o l t a g e 1 0 0m v i n p u tv o l t a g e 0 2 4v 8 第二章l v d s 相关理论 2 3l v d s 的优点 l v d s 和其他接e l 相比有很多优势，为了体现其自身的优势，表2 3 提供了 l v d s 与其他几种接口电路的性能【3 1 。 从表2 3 可以看出，l v d s 与r s 4 2 2 、p e c l 相比，具有更高的传输速率、更 高的灵敏度、更低的成本和更低的功耗；与传统的”r l 接口相比，l v d s 更适合 应用在快速、低功耗和低噪声的数据传输领域。目前l v d s 之所以成为数据传输 系统的首选接口标准，是因为l v d s 和其他接口相比具有高速、低功耗和低噪声 等方面的优势。 表2 3 几种主要接口的性能比较【3 1 参数l 1 矿d s r s 4 2 2 p e c l订l 输出电压摆幅( 典型值)+ 3 5 0 m v士2 v士8 0 0 m v2 4 v 接收器输入阈值士1 0 0 m v士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 n 2 时，漏电流i d l i d 2 ，由 1 2 第三章电路设计与仿真 于i d 3 = i d l ，所以i d 4 i d 2 ，此时，多余的电流将通过i o u t 流出，i o u t = i d 4 i d 2 = i d l i d 2 ； 同理当输入i n 2 i n l 时，漏电流i d 2 i d l ，由上推导可知，i o u t = i d 2 i d 4 - i d 2 i d l ，此 时i d 2 所需的电流由l o u t 流入。因此，l v d s 差分信号转变为l o u t 的变化。 n m o s 晶体管m 5 和电阻r 一起够成了一个共源级放大器，可以有效线性化输 出波形，防止反向器在高频工作下，出现由于电压突变而引起的毛刺现象。 反相器可以有效的调节电路的占空比，使得占空比近似为l ：l ，达到很好的 输出效果。 邛眨 矾i v dd v dd 图3 - 4 普通l v d s 接收电路 标准的l v d s 信号的共模电压为1 2 v 。然而实际使用过程中，发送电路和接收 电路有可能分别处在不同的芯片上，电源和地就可能发生漂移。从而要求l v d s 接 收电路必须接收共模范围是0 2 v - 2 2 v 的l v d s 信号。除此之外，2 5 g b p s 的数据传 输率对接收电路的灵敏度和增益都提出了苛刻的要求。为了满足这些条件，并且 兼顾功耗和成本，本文设计了一种新型l v d s 接收器，如图3 5 所示。包括e s d 保护 电路、轨对轨放大电路、迟滞比较电路、整形缓冲电路和失效保护电路。 图3 - 5 整体高速l v d s 接收电路 1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 2 1e s d 保护电路设计 e s d 保护电路的主要功能是：防止芯片被静电损害。一个好的e s d 保护电 路应该能够抵抗多次e s d 应力，具有足够快的开启速度以及低的开启电阻，从而 保证在e s d 事件发生时，能够快速地将电压钳位，使得相应的被保护电路不受损 伤。除此之外，e s d 保护电路还应该具有独立性，即在被保护电路工作时，e s d 保护电路应该是高阻状态，不能影响被保护电路的正常工作。 主要用于e s d 保护的器件有；二极管、栅接地的m o s 管【3 9 j 。在对其进行分 析和比较的基础上设计l v d s 接收电路的e s d 保护电路。 二极管在正向导通的条件下，可以流大电流。可以用这一点来设计e s d 保护 电路。问题是对于硅材料而言，二极管的导通电压为0 7 v 。而e s d 要求在大的 电压下才能导通。为了增加导通电压，采用p i n 二极管。图3 - 6 ( a ) 显示了p i n 二 极管的结构示意图，图3 - 6 ( b ) 显示了p i n 二极管的剖面图。其工作原理如下： + yo v ( a ) p i - n 二极管的结构示意图( b ) c m o s 工艺中的p - i - n 二极管的剖面图 图3 - 6p - i - n 二极管【3 9 】 在电压较小时，p i n 二极管的电流大小主要由n 区的漂移电流确定，非常小，此 时的n 一区相当于一个大的电阻；在电压很大时，p i n 二极管的电流大小主要由结 附近的扩散电流确定。由于大量的载流子从p + 和n + 区流入n 区，会引起电导调 制效应，所以电流比较大，此时的n 区相当于一个非常小的电阻。一般e s d 放 电时，电压很大，此时的p i n 二极管由于电导调制效应，电流很大，可以快速放 电，起到e s d 保护的作用。 栅接地的m o s 管分为栅接地的n m o s 管和栅接地的p m o s 管两种。两者工 作原理相同，就只介绍栅接地的n m o s 管的工作原理。图3 - 7 ( a ) 显示了栅接地的 n m o s 管剖面图，图3 7 ( b ) 显示了栅接地的n m o s 管的等效电路图。由于栅接地， 1 4 第三章电路设计与仿真 所以栅接地的n m o s 管没有沟道电流，在讨论工作原理时，不考虑。图中v d d 为电源电压，d 、g 、s 、b 分别为栅接地的n m o s 管的漏、栅、源和衬底。d n 为栅接地n m o s 管的漏和衬底之间寄生的p n 结二极管，q 为栅接地n m o s 管 中源、衬底和漏形成的n p n 兰极管。风u b 为衬底等效电阻，v s u b 为电阻上的电 压，i s u b 为电阻上的电流。v 和，n 分别是栅接地n m o s 管的漏端电压和电流。厶、 ，曰和，f 为寄生的三极管的集电极、基极和发射级的电流。 d bsgd ( a ) 栅接地的n m o s 管剖面图 d ( b ) 栅接地的n m o s 管等效电路图 图3 7 栅接地的n m o s 管结构原理图【4 0 】 图3 8 显示了e s d 下的栅接地的订o s 管的i v 特性曲线。结合图3 7 和图 3 8 来分析栅接地的n m o s 管e s d 保护的工作原理【4 0 1 。当栅接地的n m o s 管源 端出现电压时，小于寄生三极管p n 结的导通电压，则栅接地的n m o s 管横向寄 生n p n 管没开启。即显示在图3 8 中的i 区，为待触发区。随着栅接地的n m o s 管源端电压的增大，大于p n 结反向击穿电压时，寄生的二极管d n 雪崩击穿，随 着电压的增大，黜u b 上的电流增大，风u b 上的电压增大。当r s u b 上的电压增大 到0 7 v 时，达到了p n 结的导通电压，则横向寄生的n p n 三极管导通，即图3 8 中的a 点。随着厶的增加，为寄生的二极管d n 的雪崩击穿提供越来越大的电流， 电子科技大学硕士学位论文 从而反向电场和电压降低，即图3 8 中i i ( 负阻区) 。此时，由于碰撞电离，大量的 空穴注入到衬底，发生电导调制效应，从而减小了衬底等效电阻r s u b ，为了维持 三极管q 的开启，需要更大的i s u b ，从而二极管d n 的反向偏置电压必须增加， 重新进入正阻区，如图3 8 中的i 区。如果电压迸一步增加，则造成栅接地的 m o s 管二次击穿，这种击穿不可恢复，是不希望看到的结果。 i v 图3 - 8 e s d 下的栅接地的n m o s 管的i v 特性曲线1 4 0 1 由于栅接地的m o s 管存在负阻效应，而且与传统的c m o s 工艺相兼容，所 以采用栅接地的m o s 管来设计e s d 保护电路。用于e s d 保护的栅接地n m o s 管一般做的很大，用于增加释放的电流。然而在大面积上加电压，很容易出现电 场分布不均，在发生雪崩击穿时，只有电极正下方的面积流过电流，从而使得面 积不能充分利用。所以在实际使用当中，一般采用多指栅接地n m o s 管。 本设采用0 1 3 1 a mc m o s 工艺。该保护电路的工作原理是利用瞬间崩溃 ( s n a p b a c k ) 效应来钳位瞬态高压并泄放电流的，具有钳位电压低和导通电阻小的优 点。图3