USB3.0中五分频电路设计

        引言

　　USB 3. 0 是通用串行总线( Universal Serial Bus)的最新规范， 该规范由英特尔等大公司发起， 其最高传输速度可达5 Gb/ s,并且兼容USB 2. 0 及以下接口标准。物理层的并串/ 串并转换电路是U SB 3. 0 的重要组成部分， 在发送端将经过8 b/ 10 b 编码的10 位并行数据转换成串行数据并传输到驱动电路， 在接收端将经过CDR( Clock and Data Recovery) 恢复出来的串行数据转换成10 位并行数据。在并串/ 串并转换过程中，同时存在着时钟频率的转换， 若串行数据采用时钟上下沿双沿输出，则串行数据传输频率降低一半， 并行传输时钟为串行传输时钟的1/ 5, 即五分频。

　　本文设计了基于65 nm 工艺的五分频器， 产生一个占空比为50%的五分频信号。对该电路的设计不以追求高速度为惟一目标，而是在满足U SB 3. 0 协议所要求的频率范围基础上， 尽可能的降低功耗。

　　1 电路原理与结构

　　采用基于D 触发器结构的五分频器逻辑框图如图1所示。图1 由3 个D 触发器和少量逻辑门构成， 采用了同步工作模式， 其原理是由吞脉冲计数原理产生2 个占空比不同的五分频信号A 和B, 然后对时钟信号CLK, A 和B 进行逻辑运算得到占空比为50% 的五分频信号CLK/ 5, 其计数过程如表1 所示， 从表1 的计数过程可知， 分频后的时钟CLK/ 5 的周期是输入时钟CLK 的5 倍， 由此实现了五分频并且其占空比为50% .

　　

 

　　图1 5 分频电路逻辑结构

　　表1 5 分频器计数过程

　　

 

　　2 分频器基本电路的设计

　　触发器是整个分频器中最基本的结构， 只有设计好一个快速的触发器， 才能实现一个高频率的分频器，目前用于分频电路的触发器电路主要有3 种。第1 种是CML( Current Mo de lo gic) 电路， 是由ECL( EmitterCo uple Logic) 电路演变来的， 相比传统的静态分频器，由于电路的摆幅较小， 因而电路的工作速度快; 第2 种是TSPC( True Single Phase Clock) 电路， 采用单相时钟， 大大减少了电路的元件数目， 从而提高电路工作速度， 同时这种电路功耗极低; 第3 种是注锁式( Injected-Locked) 电路， 由于要使用电感， 因而它的体积过大且工艺难度高， 成本较高， 很少被广泛采用。本文分别采用CML 电路和TSPC 电路构成分频电路， 并对两者的速度和功耗等进行比较。

　　CML 电路构成的触发器如图2 所示， 由图中可以看出， 该触发器由2 个CML 结构锁存器组成， 它们构成主从型结构， 每个锁存器都要经过2 个阶段： 跟踪阶段和保持阶段。当主锁存器跟踪输入信号时， 从锁存器处于锁存保持阶段， 然后交替。其中N13 , N14 为尾电流管， 偏置电压V_bias 使N13 , N14管工作在饱和状态， 充当恒流源的作用。dp 和dn 是由输入信号d 经传输门和反相器产生的一对互补差分信号， ck_m 和ck_p 是由输入时钟信号clk 经传输门和反相器产生的一对互补时钟差分信号。主锁存器工作状态为： 当ck_m 为高电平时， N5 管导通， N6 管关闭， 此时N1 , N2 管工作在差分状态， 将输入信号dp, dn 采入。当ck_p 为高电平时，N6 管导通， N5 管关闭， 此时N3 , N4 使电路维持在锁存状态， 从锁存器工作状态恰好与主锁存器工作状态相反。设计中在触发器输出端q, qn 之间加了2 个反相器从而在q, qn 之间形成正反馈， 增强了电路的输出驱动能力。工作时， 电路的尾电流应当足够大， 有利于提高电路工作频率和输出信号的摆幅。

　　TSPC 电路构成的触发器如图3 所示， 由图中可以看出， 该电路由四级反相器构成， 上升沿触发， 当CK 为低电平， 输入反相器在节点X 上采样反向d 输入，第2 级反相器处于保持状态， 节点Y 预充电至V dd,第三级反相器处于保持状态， 时钟上升沿来时， 第二级反相器求值， Y 的电平值发生变化， 时钟ck 为高电平时，节点Y 的值传送到输出q, 该触发器的延时为4 个反相器的传播延时， 由于电路中元件数目很少， 而且采用动态逻辑， 因此功耗极低。

　　

 

　　图2 CML 锁存器构成的主从式触发器电路

　　

 

　　图3 TSPC 电路构成的触发器