USB 3. 0 是通用串行總線（ Universal Serial Bus）的最新規范， 該規范由英特爾等大公司發起， 其最高傳輸速度可達5 Gb/ s，并且兼容USB 2. 0 及以下接口標準。物理層的并串/ 串并轉換電路是U SB 3. 0 的重要組成部分， 在發送端將經過8 b/ 10 b 編碼的10 位并行數據轉換成串行數據并傳輸到驅動電路， 在接收端將經過CDR（ Clock and Data Recovery） 恢復出來的串行數據轉換成10 位并行數據。在并串/ 串并轉換過程中，同時存在著時鐘頻率的轉換， 若串行數據采用時鐘上下沿雙沿輸出，則串行數據傳輸頻率降低一半， 并行傳輸時鐘為串行傳輸時鐘的1/ 5， 即五分頻。

本文設計了基于65 nm 工藝的五分頻器， 產生一個占空比為50%的五分頻信號。對該電路的設計不以追求高速度為惟一目標，而是在滿足U SB 3. 0 協議所要求的頻率范圍基礎上， 盡可能的降低功耗。

1 電路原理與結構

采用基于D 觸發器結構的五分頻器邏輯框圖如圖1所示。圖1 由3 個D 觸發器和少量邏輯門構成， 采用了同步工作模式， 其原理是由吞脈沖計數原理產生2 個占空比不同的五分頻信號A 和B， 然后對時鐘信號CLK， A 和B 進行邏輯運算得到占空比為50% 的五分頻信號CLK/ 5， 其計數過程如表1 所示， 從表1 的計數過程可知， 分頻后的時鐘CLK/ 5 的周期是輸入時鐘CLK 的5 倍， 由此實現了五分頻并且其占空比為50% 。

圖1 5 分頻電路邏輯結構

表1 5 分頻器計數過程

2 分頻器基本電路的設計

觸發器是整個分頻器中最基本的結構， 只有設計好一個快速的觸發器， 才能實現一個高頻率的分頻器，目前用于分頻電路的觸發器電路主要有3 種。第1 種是CML（ Current Mo de lo gic） 電路， 是由ECL（ EmitterCo uple Logic） 電路演變來的， 相比傳統的靜態分頻器，由于電路的擺幅較小， 因而電路的工作速度快； 第2 種是TSPC（ True Single Phase Clock） 電路， 采用單相時鐘， 大大減少了電路的元件數目， 從而提高電路工作速度， 同時這種電路功耗極低； 第3 種是注鎖式（ Injected-Locked） 電路， 由于要使用電感， 因而它的體積過大且工藝難度高， 成本較高， 很少被廣泛采用。本文分別采用CML 電路和TSPC 電路構成分頻電路， 并對兩者的速度和功耗等進行比較。

CML 電路構成的觸發器如圖2 所示， 由圖中可以看出， 該觸發器由2 個CML 結構鎖存器組成， 它們構成主從型結構， 每個鎖存器都要經過2 個階段： 跟蹤階段和保持階段。當主鎖存器跟蹤輸入信號時， 從鎖存器處于鎖存保持階段， 然后交替。其中N13 ， N14 為尾電流管， 偏置電壓V_bias 使N13 ， N14管工作在飽和狀態， 充當恒流源的作用。dp 和dn 是由輸入信號d 經傳輸門和反相器產生的一對互補差分信號， ck_m 和ck_p 是由輸入時鐘信號clk 經傳輸門和反相器產生的一對互補時鐘差分信號。主鎖存器工作狀態為： 當ck_m 為高電平時， N5 管導通， N6 管關閉， 此時N1 ， N2 管工作在差分狀態， 將輸入信號dp， dn 采入。當ck_p 為高電平時，N6 管導通， N5 管關閉， 此時N3 ， N4 使電路維持在鎖存狀態， 從鎖存器工作狀態恰好與主鎖存器工作狀態相反。設計中在觸發器輸出端q， qn 之間加了2 個反相器從而在q， qn 之間形成正反饋， 增強了電路的輸出驅動能力。工作時， 電路的尾電流應當足夠大， 有利于提高電路工作頻率和輸出信號的擺幅。

TSPC 電路構成的觸發器如圖3 所示， 由圖中可以看出， 該電路由四級反相器構成， 上升沿觸發， 當CK 為低電平， 輸入反相器在節點X 上采樣反向d 輸入，第2 級反相器處于保持狀態， 節點Y 預充電至V dd，第三級反相器處于保持狀態， 時鐘上升沿來時， 第二級反相器求值， Y 的電平值發生變化， 時鐘ck 為高電平時，節點Y 的值傳送到輸出q， 該觸發器的延時為4 個反相器的傳播延時， 由于電路中元件數目很少， 而且采用動態邏輯， 因此功耗極低。

圖2 CML 鎖存器構成的主從式觸發器電路

圖3 TSPC 電路構成的觸發器

3 仿真結果與分析

采用Cadence 公司的spect re 仿真器對設計的分頻器分別仿真， 仿真電源電壓為1 V， 結果表明： 在典型工藝參數條件下，基于CML 電路結構的五分頻器最大工作頻率是8 GHz， 最小工作頻率是1 kHz， 當工作在8 GHz 時， 功耗為1. 7 mW， 輸出信號占空比為49. 76% ; 基于T SPC 電路結構的五分頻器最大工作頻率是10 GHz， 最小工作頻率是10 MHz， 當工作在10 GH z時， 功耗采用10 ns 內的平均功耗， 功耗為0. 2 mW， 輸出信號占空比為49. 92%.由于是單端輸入輸出， 基于T SPC 電路結構的分頻器抗噪聲能力較弱。最高工作頻率下的仿真結果如圖4， 圖5 所示。

圖4 基于CML 電路結構的五分頻器工作在8 GH z 仿真圖

圖5 基于T SPC 電路結構的五分頻器工作在10 GHz 仿真圖

對于不同頻率的分頻器。通常采用FOM 值來比較其性能， 分頻器的FOM 值定義為：

式中： fmax 是分頻器的最高工作頻率； P 是分頻器在最高工作頻率下的功耗， 表2 為本文設計的分頻器和其他文獻中介紹的分頻器作對比，所有的分頻器均采用CMOS工藝， 對比表明本文設計的5 分頻器性能較優，在65 nm 工藝下具有明顯的功耗低優勢， 尤其是采用TSPC 電路結構的分頻器， 功耗極低。

表2 幾種分頻器性能的總結對比

4 結語

本文基于65 nm 工藝分別采用CML 電路結構和TSPC 電路結構設計了1 個五分頻器， 采用spectre仿真表明， 采用CML 結構的分頻器最高工作頻率8 GHz，功耗1. 7 mW， 輸出信號占空比49. 76% ; 采用T SPC 電路結構分頻器最高工作頻率10 GHz， 功耗為0. 2 mW，輸出信號占空比49. 91%， 由于采用單端輸入輸出， 所以采用T SPC 結構的分頻器抗噪聲能力較弱。輸出信號占空比為50% 是本文一大特點， 2 種結構的分頻器工作頻率完全覆蓋了USB 3. 0 協議所要求的頻率范圍，滿足協議要求。