论文部分内容阅读
近十年以来，随着微电子技术的进步，尤其集成系统的迅猛发展，高速计算、高速通信等越来越普遍。信息的爆炸性增长以及参与信息交换的终端用户数量的迅速增加，对数据的高速传输和交换提出了新的需求。 按照经典的分类，通信方式可以分为并行通信和串行通信两大类。从目前技术发展与市场应用来看，串行通信已经越来越多地被高速率通信协议所采用，是目前高速通信的主流通信方式。与并行通信相比，串行通信具有很多优势，包括引线较少，降低了布线空间要求、连接器较小、电磁干扰降低并具有良好的抗噪能力等。串行互联已应用在芯片间的短距离传输、背板传输、数字交换机网络以及到长距离光纤通信等多个领域，且随着数据量的继续增长，传输速率还会继续提高。 高性能的高速互联系统存在很多设计挑战，包括:速度与功耗之间的折中;应对信道衰减及接口反射;实现低误码率的时钟恢复电路;单芯片多协议可兼容等问题。本论文针对在数据高速互联中所遇到的问题及挑战，提出了一些系统架构和电路实现方面的解决方案: 第一，面对单芯片可多协议兼容这样的趋势，完成了一款中等速率的多协议兼容的物理层接口芯片的设计，其工作频率范围在1.0625G-3.125Gb/s，能够覆盖FCPCIeRapid IO三种协议。通过分析三种协议各自的物理层接口标准及系统设计的指标要求，在数据发射端，采用了低功耗电压模式驱动器和预加重电路模块的协同设计，并提出了低于电源电压摆幅驱动器的解决方案;在数据接收端，提出了无源均衡器结构以在不增加功耗和面积开销的情况下补偿信道高频衰减，并且提出了全新的数模混合架构的时钟数据恢复电路，保证了低误码率水平的前提下实现低功耗设计。经测试验证，整个芯片实现了三种协议的兼容，且均衡补偿能力达到10dB(其中发射端预加重6dB和接收端无源均衡器4dB)，且在最高工作频率下工作功耗仅为78mW（包含了数字部分的功耗），与现有文献报道的单频点工作的功耗水平相当。 第二，针对于高速接口电路在背板传输应用所面临的日趋严重的高频衰减和接口反射等问题，完成了多拍判决反馈均衡器设计。在此均衡器中，本文提出了电容积分架构的加权器和灵敏误差放大器相结合，能够在很低功耗下(6mW)实现多拍判决，相对于现有电阻积分电流积分等电路结构，实现了更低的功耗水平。此判决反馈均衡器能够用于60cm背板传输(-22dB@5GHz)，应用的数据率最高达10Gb/s; 第三，通过分析现有相位插值器和时钟数据恢复电路设计时所面临的问题和设计挑战，提出了一种低功耗、高工作速度的相位插值器电路实现结构，此结构通过改变延迟时间常数来调整相位。利用此相位插值器电路，实现了低功耗、低抖动性能的6 Gb/s半速架构的时钟数据恢复电路设计。此架构中不再采用延迟锁相环而是使相位插值器工作在更高频率(全速6GHz)而下分频实现四相时钟给此半速结构的时钟数据恢复电路鉴相器所使用，且整个环路的处理速度工作在3Gb/s，进一步降低了环路延迟时间而获得了更高的低误码率性能。通过仿真验证，此时钟数据恢复电路在3MHz带宽的前提下，输出时钟抖动的均方根值小于3 ps以内。