基于0.18μm CMOS設計用于2.5Gb/s收發器系統的16:1復用器電路

近年來，隨著傳統電信業務和互聯網業務的迅猛發展，它們對網絡帶寬提出了越來越高的要求，由此導致了高速串行接口的出現。目前國內關于2.5 Gb/s超高速串行收發器CMOS芯片及IP核研究開發尚處于起步階段。設計開發具有自主知識產權的高性能串行收發器芯片及IP核，打破國外對高端路由器、交換器芯片的壟斷，不僅能夠直接大幅度降低通信、網絡設備成本，產生顯著的經濟效益，還能帶來巨大的社會效益。本文所設計的復用器，應用在2.5Gb/s收發器系統中，該收發器的系統框圖如圖1所示。

　　圖1 Transceiver結構示意圖

　　眾所周知在高速的數據傳輸系統中，收發器對于實現整個系統的功能起著至關重要的作用。而在收發器系統中，復用器是工作在最高速度的電路單元之一，因此復用器電路設計的好壞直接影響整個系統的性能。本文所設計的復用器，采用SMIC 0.18?m CMOS工藝實現。

　　2 電路結構及其設計

　　2.1 16:1復用器結構設計

　　本文設計的16:1復用器是將發送數據選擇模塊輸出的16位156.25Mb/s并行數據轉換為2.5Gb/s串行數據輸出，其實現框圖如圖2所示，該電路主要由1個1*復用器電路和1個采用樹形結構（包括3個2:1復用器）實現的4:1的復用器電路構成。其中1*復用器用數字電路實現，4:1復用器電路用模擬電路實現。該電路接收從PLL送出的2.5GHz、1.25GHz和625MHz差分時鐘，為1*復用器和2:1復用器電路提供所需要的時鐘。16位并行輸入數據經過1*復用器后輸出4位并行數據送入4:1復用器,經4:1復用器后，數據變換成1比特寬度的串行數據流，發送順序最低位在前，即TXD_P[0]最先出現在TXD_S上,TXD_P[15]最后發出。由于本電路是數模混合信號設計，仿真時需要給數字電路和模擬電路分別加激勵，對于4:1復用器電路，輸入采用互補的方波電壓源，峰峰值為0.4V。對于1*復用器電路，通過用Verilog語言描述的方式加激勵。由于兩個模塊分別用數字電路和模擬電路實現，因此在兩個模塊的連接處要進行電平的轉換。Virtuoso AMS Simulator中將接口模型劃分為A2D型和D2A型兩類。本設計是由數字電路送信號給模擬電路，因此要用到D2A接口模型，該模型主要有4個參數:d2a_tf,d2a_tr,d2a_vh和d2a_vl。其中d2a_tf和d2a_tr分別表示接口模型的輸出從當前值上升到d2a_vh所需要的時間和下降到d2a_vl所需要的時間；d2a_vh和d2a_vl分別表示對應數字電路中的邏輯“1”和“0”而轉換成的最終電壓值。本設計的設置如下: d2a_tf=20ps, d2a_tr=20ps，d2a_vh=1.8V，d2a_vl=1.4V。

　　圖2? 16:1復用器實現框圖

　　2.2? 單元電路設計

　　2.2.1 1*復用器電路

　　1*復用器電路由4個4:1復用器模塊和一個賦值語句模塊構成，本電路均采用Verilog語言來描述。4個4:1復用器的作用是將16路156.25M數據TXD_P[15:0]復用為4路625M數據，這里我們用移位寄存器實現4:1復用器。首先將16位并行數據，分為四個4位并行數據，然后將4位并行數據送入4:1復用器，數據經過4位移位寄存器后的輸出如圖3所示。由于后級的模擬電路需要差分輸入，因此本模塊輸出均為互補輸出。4:1復用器電路的Verilog實現的關鍵代碼如下：

　　always @(posedge clk or posedge reset)

　　if(reset)

　　begin? i <= 2'b0;?? sda_p <= 0;?? end

　　else? begin

　　if(i==2'b0)

　　begin? sda_p <= data[0];? d1? <= data[1];? d2? <= data[2];? d3? <= data[3];? end

　　else? begin? d2 <= d3;? d1 <= d2;? sda_p <= d1;? end

　　i <= i+2'b1;

　　end

　　圖3? 1*復用器實現時序圖

　　2.2.2 4:1復用器電路

　　4:1復用器采用樹形結構實現，其實現如圖2所示，它主要由三個2:1的高速復用器和一個主從D觸發器（MSDEF）構成。2:1復用器由一個主從D觸發器（由兩個鎖存器級連構成），一個主從主D觸發器（由三個鎖存器級連構成）和一個2:1數據選擇器構成。

　　本文所設計的鎖存器和2:1數據選擇器均采用CML(電流模式邏輯)邏輯實現，其基本結構如圖4(a)所示，按其功能可分為下拉邏輯網絡、尾電流源和上拉電阻三個部分。它可以在電壓擺幅較小的情況下正常工作。由于尾電流源的存在，CML電路的功耗近似為恒定值P=vdd*I，其中vdd是電源電壓，I為直流尾電流。眾所周知，傳統CMOS電路的功耗為P=CL`*f*vdd2，其中f是電路的開關頻率，CL`是輸出節點的負載電容。因此，在高速率的條件下，CML電路的功耗比與其相似的CMOS電路的功耗要小得多。此外，降低CML電路的電壓擺幅，還可以減小整個電路的延時，從而提高電路的工作速度。

　　圖4? 鎖存器及2:1數據選擇器電路圖

　　3仿真結果

　　該電路采用SMIC 0.18?m工藝模型，使用Virtuoso AMS Simulator 工具進行了仿真。輸入信號為16位156.25Mb/s并行數據，如圖5(a)所示。仿真的corner包括：ff（fast model）、tt(typical model)、ss(slow model)。不同corner下的仿真輸出波形如圖5(b)-(d)所示。從仿真的結果可以看出，輸入數據為156.25Mb/s時，能較好的實現復用功能，輸出數據速率為2.5Gb/s，整個電路的功耗約為6mW。　

4結論

　　隨著CMOS工藝的發展，采用CMOS工藝已經可以設計出高性能、低功耗、成本低的高速電路。本次設計采用0.18?m CMOS工藝，采用CML電路設計技術和數模混合設計技術，設計出了2.5Gb/s 16:1復用器電路。該電路能夠在電源電壓為1.8V，工作溫度范圍為0－70。C時，工作速率可達到2.5Gb/s，功耗約為6mW。

　　本文作者創新觀點：本文將16:1復用器電路進行了模塊化分解，采用數模混合的設計技術分別用Verilog語言描述的方式和CML電路邏輯設計了1*復用器電路和4:1復用器電路，并采用混合信號仿真的驗證方式對所設計的16:1復用器進行了驗證。用該種方法大大縮短設計和驗證所需要的時間。