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如何通過有源器件實現(xiàn)低功耗及小的芯片面積呢?

冬至子 ? 來源:一片冰芯 ? 作者:一片冰芯 ? 2023-10-31 14:28 ? 次閱讀

高速SerDes的數(shù)據(jù)和時鐘通路上需要很多buffer,傳統(tǒng)CML buffer的有限帶寬往往限制系統(tǒng)的奈奎斯特頻率,采用電阻負載串聯(lián)無源電感的方式理論上最大可將帶寬boost 1.8倍左右,大量無源器件的引入無疑增大了研發(fā)成本。本期跟大家聊聊如何通過有源器件實現(xiàn)電感特性,從而實現(xiàn)低功耗、高帶寬以及小的芯片面積。

**1 **CML buffer

我們先一起回憶一下PI一講中PI的整體框圖 ,如圖1所示。圖中的DCC Circuit、Clock Buffer、Phase Mixer、Limiting Amplifier電路都是CML 結(jié)構(gòu)或其變形。當(dāng)時鐘頻率為5GHz時,圖1所示結(jié)構(gòu),功耗輕易就能達到20mA,隨著時鐘頻率的進一步提升,即使不care功耗,傳統(tǒng)CML結(jié)構(gòu)Buffer也很難滿足如此高的頻率。

將CML Buffer的電阻負載換成有源電感,可在低頻處引入零點,從而boost CML Buffer的帶寬,實現(xiàn)低功耗、高帶寬、小面積。

圖片

Fig1. Block diagram of PI

文獻[2]給出的phase mixer,同樣采用CML結(jié)構(gòu),如圖2所示。通過調(diào)整負載電阻、電容及尾電流的大小在20 nm CMOS工藝下實現(xiàn)0.5-16.3 Gbps的寬頻率范圍內(nèi)的線性插值。

圖片

Fig2. Ref[2]proposed bandwidth adjustable phase mixer

**2 ** ActiveInductor

2.1 Working principle and application of active inductor

將圖2相位差值器的電阻負載換成有源電感負載 即可實現(xiàn)帶寬拓展,如圖3所示。

圖片

Fig3. PI mixer with active inductor load

設(shè)與圖3負載管MP1相連的電阻電容分別為Rg和Cgs,MP1柵漏寄生電容為Cgd,畫出有源負載的小信號等效模型,如圖4所示。

圖片

Fig4. Active inductor load and small-signal equivalent model

列出圖4中Vx和Vout節(jié)點的KCL方程

KCL@Vx:(Vout-Vx)/[Rg//(1/sCgd)]=sCgsVx,得:Vx=Vout/(1+s[Rg//(1/sCgd)]Cgs)

KCL@Vout:Iout=gMp1Vx+Vout/r oMp1 +(Vout-Vx)/[Rg//(1/sCgd)]

可得,Zout為Zout=Vout/Iout=(1+s[Rg//(1/sCgd)]Cgs)/(s(Cgs+[Rg//(1/sCgd)]Cgs/r ~oMp1~ )+(g ~Mp1~ +1/r ~oMp1~ ))

由Zout表達式可得,在1/Rg(Cgs+Cgd)處存在一個左半平面低頻零點,Zout的幅頻特性曲線,如圖5所示,圖中的R為Rg,gm為MP1的跨導(dǎo)。合理設(shè)置R、Cgs及gm可實現(xiàn)不同頻率的補償。

圖片

Fig5. Active inductor small-signal impedance versus frequency

圖6給出了傳統(tǒng)CML buffer及有源電感負載buffer的幅頻特性曲線,可見采用有源電感結(jié)構(gòu)不僅可以boost高頻分量及帶寬,而且可以衰減低頻分量。換句話說有源電感負載結(jié)構(gòu)可以看作一個帶通濾波器,抑制了低頻噪聲、DCD、dc offset,增大了帶寬,有利于減小時鐘jitter,同時提高INL。

圖片

Fig6. CML stage small-signal gain versus frequency for resistive load(dashed line) and active inductor load(solid line)

參考文獻[4-5]同樣采用有源電感負載實現(xiàn)與圖6相同的功能,參考文獻[4]仿真結(jié)果如圖7所示。

圖片

Fig7. Simulated frequency response of active inductor clock buffer circuit

參考文獻[5]將有源電感負載結(jié)構(gòu)用在了基于16 nm FinFET CMOS工藝的32.75 Gbps的SerDes中,PI結(jié)構(gòu)如圖8所示,左上角給出的PI線性度曲線,可見其具有非常好的線性度。

圖片

Fig8. Active inductor based low power linear PI

2.2 applicationof passive inductor

之前跟大家聊過一期無源電感,無源電感除了面積大外,似乎沒有什么別的缺點。LCVCO中的電感線圈面積可以輕松到達幾百um^2^,LCVCO高Q值的需求,使其無法采用太多層金屬堆疊繞制成大感值小面積的電感。

在某些場合,適當(dāng)引入小尺寸的無源電感,會簡化你的設(shè)計,如Tx輸出和Rx輸入。圖9給出了Rx輸入端的等效電路。

不同于LCVCO,Rx輸入端利用電感兩端電流不能突變特性來產(chǎn)生零點,進而拓展Rx輸入端帶寬。圖9要滿足0.5-16.3 Gbps的數(shù)據(jù)通信,這里利用電感的交流特性實現(xiàn)寬頻率范圍內(nèi)的50Ω阻抗匹配(假設(shè)直流電阻已精確校準(zhǔn))

圖片

Fig9. Rx input stage

圖10給出了Rx輸入端半邊等效電路,T-coil結(jié)構(gòu)電感將端接電阻和PAD電容分離,利用電感兩端電流不能突變的原理,當(dāng)Rx輸入級電流階躍信號來臨時,只給PAD電容充電,初始時刻由于電感對電流的阻塞作用,不會分流到端接電阻,從而實現(xiàn)快速頻率響應(yīng)。

圖片

Fig10. Passive input network with T-coil

3 Consideration anddiscussion

Rx輸入端T-coil結(jié)構(gòu)電感Layout上如何實現(xiàn)?抽頭系數(shù)、感值如何確定?圖9放大器有什么特別之處嗎?采用什么結(jié)構(gòu)?該如何實現(xiàn)?50Ω阻抗匹配又該如何實現(xiàn)?

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