作者： 郭鳴;張潤曦;湯亮;彭宣戈

1 引言

隨著電路系統(tǒng)需求的擴(kuò)展，集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)多工作在幾百Mbps的速率上，這些高速系統(tǒng)常包含多個電路模塊。系統(tǒng)中不同模塊間的接口十分重要，它一般采用總線結(jié)構(gòu)。為了獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率必須增加內(nèi)部總線寬度，實際應(yīng)用中，采用更大芯片面積和更多端口數(shù)目。這類問題也出現(xiàn)在板級系統(tǒng)中。為此，提出一個端口同時傳輸多個比特的概念以解決該問題，即采用調(diào)制技術(shù)，在電路中將數(shù)據(jù)與時鐘信號合并為一個通道以減少端口數(shù)。為解調(diào)該信號，接收端則采用時鐘恢復(fù)電路（CRC）從數(shù)據(jù)流中提取時鐘信號。常用的調(diào)制技術(shù)包括PPM，PCM及PWM。

給出了一采用PWM，傳輸速率達(dá)400Mbps的數(shù)據(jù)接口電路。用脈沖寬度對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并保證含時鐘周期上升沿，將時鐘信號嵌入到編碼后的數(shù)據(jù)中，這樣在接收端很容易以傳統(tǒng)的PLL恢復(fù)出時鐘。可用PLLVC輸出來解PWM編碼信號，這樣電路幾乎就只需一個PLL。由于接收信號每個周期都有上升沿，避免了數(shù)據(jù)格式不同引起的電平與時間偏移。

2 基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PWM的脈寬值T與數(shù)據(jù)速率D可以分別表示為：

上式中N表示每符號的比特數(shù)，R表示符號率， 為單位脈寬。為簡化電路設(shè)計，我們?nèi)＝2。PWM發(fā)送單元包括一串/并轉(zhuǎn)換，PWM調(diào)制器，發(fā)送PLL，二分頻器及接口電路。接收單元包括接口電路，PWM解調(diào)器，接收PLL，并/串轉(zhuǎn)換。

每2bit的數(shù)據(jù)通過串/并轉(zhuǎn)換合并對應(yīng)為一個符號。00， 01， 10， 11四個不同符號分別對應(yīng)不同的脈寬。每個符號對應(yīng)2bit信息，因而采用二分頻電路。CLK經(jīng)二分頻后作為PLL的參考時鐘。PLL中的VCO能產(chǎn)生五種時鐘相位供PWM調(diào)制器使用。PWM由VCO的第一個相位輸出觸發(fā)實現(xiàn)同步，由另外四個中的一個來復(fù)位，實現(xiàn)了上升沿觸發(fā)同步，脈沖寬度編碼的PWM發(fā)送電路。

接收電路與發(fā)送電路工作過程相反，接收到的PWM信號首先經(jīng)過接口電路轉(zhuǎn)化為全擺幅CMOS電平。然后一路送PLL，一路接收PWM，接收PLL與發(fā)送PLL相似，只是在各相輸出后產(chǎn)生五個附加相，這五個附加相準(zhǔn)確定位，用以檢測PWM編碼信號的下降沿，由圖1可知只要確定了下降沿，符號就能被解碼成2bit的信號，經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換輸出。

電路的功耗主要來源于PWM編、解碼器及接收、發(fā)送PLL。若N增加，上升、下降過程的密度減少，發(fā)送與接收單元功耗也隨之減少。發(fā)送與接收PLL的功耗由下式?jīng)Q定：

顯然，這個功耗值與N并無直接關(guān)系。

3 電路設(shè)計

3.1 發(fā)送/接收PLL

PLL的性能在本接口電路中相當(dāng)關(guān)鍵，若將PLL與低噪聲的數(shù)字電路集成在同一塊硅片上，抖動問題尤為重要。該電路采用的PLL是一個包含PFD，低通濾波器/泵浦，VCO在內(nèi)的傳統(tǒng)電流泵浦型PLL（CPPLL）。采用外接低通濾波器以減少片上面積，如前所述，發(fā)送、接收PLL只在VCO上有所不同。

為獲得低抖動PLL，PFD的性能很重要，PFD的品質(zhì)可由死區(qū)值（即不可檢測的最小相位差）來衡量，傳統(tǒng)的靜態(tài)PFD用NAND來復(fù)位內(nèi)部節(jié)點，延時大，死區(qū)值較大，導(dǎo)致了大的時鐘抖動，從而限制了電路的最高工作頻率。本文采用dec-PFD （double edge checking PFD） ，以避免dd-PFD（difference phase frequency detector）的非對稱性問題，獲得較少的死區(qū)值，更高的工作頻率與更低的功耗。泵浦是基于差分對的全差分電路，以UP/DOWN和UPb/DOWNb來切換差分對，獲得泵浦電流。電流源則始終處于通的狀態(tài)，開關(guān)切換時造成的影響減至最小，避免了從泵浦關(guān)態(tài)到通態(tài)過長的恢復(fù)時間。缺點是增加了一定的功耗。

PLL的另一個關(guān)鍵模塊是VCO，VCO設(shè)計的主要問題是噪聲容限，它決定了PLL在一定的噪聲環(huán)境下時鐘抖動的大小。電路采用五相差分型環(huán)路振蕩器，為PWM的調(diào)制解調(diào)提供五相信號。事實上，電路中存在很多噪聲會引起時鐘的抖動，其主要來源就是同一塊基板上集成的大量電路所造成的電源噪聲。為此，我們希望電路能有較大的PSSR（電源抑制比），我們采用圖2所示折疊式電路，每一態(tài)都由nmos差分對及pmos對稱負(fù)載構(gòu)成。

VCO振蕩器的頻率取決于狀態(tài)數(shù)S，及每一態(tài)的延時td，如下式所示：

式中td可以用下式表示：

式中Vsw為差分輸出擺幅，CVsw/Iss為平均充放電時間。

顯然，各狀態(tài)的時間偏差與寄生電容上電壓、電流源、輸出波形幅度的波動相關(guān)。由于負(fù)反饋的作用，Vsw是固定的，這個值介于Vdd和Vref之間。保持Iss為常數(shù)，級聯(lián)電流源輸出電阻愈大，PSSR就愈高。對稱pmos負(fù)載用二極管短接，產(chǎn)生關(guān)于輸出電平中心對稱的近于線性的I/V曲線。若電源由于噪聲波動上升，Vsw與Iss同時上升，td可保持不變，即td可不受電源波動的影響。這有助于降低VCO對電源的敏感度，如圖2所示，每一個狀態(tài)的電流源以兩個nmos管擔(dān)任。VCO各相輸出之后是DSE電路，將Vsw差分輸出轉(zhuǎn)換為軌對軌輸出，其特點是不同Vref時都有50％的占空比輸出。

2．2 PWM調(diào)制解調(diào)器

前面已知PWM調(diào)制器的輸出僅僅包含四種寬度的信號，可采用數(shù)字方法產(chǎn)生PWM信號，PWM調(diào)制器如圖3所示，兩個主要的模塊為相位檢測（PD）和相位選擇（PS）。此PWM調(diào)制器中，PD與一般的PLL中PD的作用類似，即輸出一個與兩個輸入信號相位差成正比的脈寬信號。PD由一個確定的，四個不確定的相位觸發(fā)，圖中P1～P5， P1為置位相，P2～P5為四個可能復(fù)位相，通過串/并轉(zhuǎn)換輸出S0，S1來選擇。為避免多次復(fù)位的發(fā)生，則采用圖4所示的PD。圖5則是PS原理圖，為提高工作速度采用偽NMOS電路。

6 串/并轉(zhuǎn)換電路

PWM解調(diào)電路如圖3所示，接收PLL對接收的已調(diào)信號進(jìn)行采樣，產(chǎn)生相位采樣信號。比較采樣值就可以恢復(fù)出原來對應(yīng)的數(shù)據(jù)（發(fā)送值）。由于采樣信號來自于接收PLL，具有更加穩(wěn)定的特點。

2.3 串/并，并/串轉(zhuǎn)換

串/并轉(zhuǎn)換的作用是將兩個相鄰的輸入數(shù)據(jù)并化形成S0，S1兩信號，用以進(jìn)行調(diào)制控制，電路如圖6所示。并/串轉(zhuǎn)換是將解調(diào)后的信息串化恢復(fù)出數(shù)據(jù)，電路結(jié)構(gòu)與串/并轉(zhuǎn)換相似。

2.4 接口電路

為實現(xiàn)電路測試，考慮與1394a串行接口的連接，接口電路由漏極開路電流型晶體管，電平轉(zhuǎn)換器，差分放大器構(gòu)成。差分放大器為自偏壓型，具有較寬共模輸入范圍且在電路高頻工作時保證較低誤碼率。

3 實驗結(jié)果

電路采用0.25 m DPTM工藝，除LPF，電路都集成在片上，發(fā)送單元，接收單元，及發(fā)送/接收PLL面積分別為：921×570 m2，723×448 m2，503×339 m2。PLL鎖定在200MHZ時的輸出，利用Tektronix CSA803A測量可得PLL輸出峰－峰抖動為97ps，均方根為9.1ps。

發(fā)送電路以不同的四種數(shù)據(jù)輸入產(chǎn)生四種不同的脈沖寬度，對應(yīng)這些數(shù)據(jù)測得的脈沖占空比分別為19.5%， 39.0%， 61.3%， 78.6%，與理想值略有差異。我們保證數(shù)據(jù)流中有各種脈寬出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)速率達(dá)到400Mbps時輸出與輸入相同。脈沖寬度與理想值的差異，可能是由于相位選擇環(huán)路動態(tài)工作時的定時偏差所引起的，這一偏差愈大會使PWM解調(diào)器的采樣范圍減小，增加誤碼率。2.5V供電時功耗為79mW，說明該電路以簡單較少的端口可以良好的工作在400Mbps速率上，對數(shù)據(jù)格式亦無特別限制，表1給出了電路的性能指標(biāo)。

表1 電路的性能指標(biāo)

4 結(jié)論

給出的一個基于PWM的高速數(shù)據(jù)接口電路，采用0.25 m標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，以PLL構(gòu)造電路，符號速率為200Mbps，數(shù)據(jù)速率為400Mbps，2.5V供電時接口電路功耗為79mW，適用于接口數(shù)目少且接口電路盡可能簡單的系統(tǒng)，對實現(xiàn)片上IP核之間、乃至芯片之間的互連有積極的意義。

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