随着人工智能的兴起,大数据时代的来临,有线通信的数据传输速率越来越高,其数据率更是达到了每十年翻两倍的增长率。随着数据传输速率的增长,同轴电缆在高速传输过程中出现了高损耗、大体积和高功耗等缺点。与金属相比,光纤具有较低的损耗和较小的体积,因此光纤通信有很大可能成为解决高速通信瓶颈的重要方式。光通信系统主要包括电光发射机和光电接收机两部分。其中光电接收机由光电二极管,跨阻放大器,限幅放大器,时钟数据恢复(Clock and Data Recovery,CDR)电路和输出驱动器组成。CDR电路是光电接收机的核心电路,其电路性能决定了整个接收机的性能,是系统中不可替代的模块。它在系统中的作用在于从输入的信号中恢复出正确的采样时钟,并对数据进行重新采样以获得高质量的数据。随着数据传输速率的提升,CDR电路的工作速率也在不断地提高。高速率的时钟信号需要较强驱动能力的驱动电路来保证时钟的质量,从而减少时钟和数据的抖动,但这同时也产生了巨大的功耗。如何在保证数据质量的同时做到较低的功耗是CDR电路的研究热点。针对低抖动和低功耗这两点需求,本文围绕CDR电路的电路架构,输入数据的调制码类型和采样方式做了调查和分析,在45nm SOI CMOS工艺下设计并实现了一款数据速率为56Gb/s的波特率采样的高速CDR电路芯片。该芯片在实现了高数据速率的同时还具有较低的功耗,其整体面积为1200um*770um,恢复数据的峰峰值抖动为3.12ps,恢复时钟的峰峰值抖动为2.22ps,功耗为201m W。论文工作有:(1)采用连续时间线性均衡电路对输入的信号进行均衡,补偿了信号的高频损耗,提高了信号的完整性;采用串联和并联电感峰化技术,将模拟前端模块的带宽扩展至35.3GHz,满足56Gb/s数据率的传输要求。(2)采用四分之一速率的鉴相结构,降低了时钟逻辑链路的工作频率,降低了时钟驱动电路和时钟逻辑电路的功耗;采用波特率采样的采样方式,并用积分的方式去实现采样电路。对比过采样,波特率采样减少了一半的时钟相位需求,在保证采样正确的同时,降低了CDR电路的面积和功耗。(3)根据设计的相位插值型CDR电路建立相应z域数学模型,并在Matlab软件上对数学模型进行环路特性仿真。通过仿真得到不同环路参数下的CDR环路指标,根据需求选取合适的环路参数。(4)根据设计需求,对整体CDR电路进行布局规划,定义CDR电路中的每个模块的指标和接口。完成每个模块的原理图和版图设计并完善CDR电路的整体版图,增加测试辅助电路。设计芯片焊盘布局和芯片整体电源线布局,并于2021年11月进行流片。
随着物联网技术的快速发展,现代社会对高速通信的需求日益增长,高速串行通信技术,即串行解串器(Serializer-Deserializer,Ser Des)因其强大的数据传输能力得到了广泛应用,成为目前主流的通信手段。时钟数据恢复电路(Clock and Data R...
详细信息
随着物联网技术的快速发展,现代社会对高速通信的需求日益增长,高速串行通信技术,即串行解串器(Serializer-Deserializer,Ser Des)因其强大的数据传输能力得到了广泛应用,成为目前主流的通信手段。时钟数据恢复电路(Clock and Data Recovery,CDR)是Ser Des系统中最关键的模块之一,它的作用是在接收端从高速输入数据中恢复出时钟信号,对输入数据进行重新采样。CDR电路的性能直接决定了恢复出来的时钟和数据的质量,进而影响到整个Ser Des系统的性能。本文基于TSMC12nm工艺,采用自上而下的设计方法,设计了一种应用于高清多媒体接口的相位插值型CDR电路。首先确定CDR的结构,在对各种类型的CDR电路的结构、性能以及优缺点进行对比的基础上,采用抖动抑制能力强、频差追踪范围大、受PVT变化影响小、可实现多通道共享时钟的相位插值型CDR。然后利用Simulink对CDR电路进行建模,通过建模分析CDR电路的结构组成和工作原理,仿真得出CDR环路关键参数,例如比例路径系数Kp和积分路径系数Ki对电路性能的影响。通过对CDR电路进行建模仿真,晶体管级电路的设计时间大大缩短。建模完成以后进行相位插值型CDR电路的具体设计和仿真验证。相位插值型CDR电路主要由采样模块、对齐和分接模块、相位检测模块、环路滤波器和相位插值器等模块组成。其中,相位检测模块采用非线性的bang-bang型Alexander鉴相器,只输出数据和时钟信号的相位差符号而不输出相位差大小。环路滤波器采用二阶数字滤波器,包括比例路径和积分路径两条支路,具有一定的频差追踪能力。相位插值器采用基于反相器的结构,并在此基础上加入谐波抑制滤波器加以改进,大大提高了相位插值器的线性度。最后对整体CDR电路进行前仿、版图设计以及后仿验证,确保电路性能达到要求。本文实现的相位插值型CDR电路的版图面积为120*65μm2。利用AMS混合仿真器对电路进行仿真验证。后仿结果表明,在各个工艺角下,当电源电压为0.8V、输入数据速率为6Gbps、时钟频率为6GHz时,CDR恢复出来的时钟信号的抖动最大为10.6ps,功耗最大为15mW,符合HDMI协议要求。
暂无评论