基于电流模式逻辑实现前端1：2解复用电路的应用设计

作者：邓军勇，蒋林，曾泽沧

高速通信系统已经在世界范 围内进入大规模建设阶段，大量的信息交互促进了通信和计算机技术的迅猛发展，高速干线系统作为信息高速公路的主干，研究设计其所采用的高速芯片势在必行。数据的传输方式，由于并行信号彼此之间的耦合与串扰限制了其工作速度和传输距离，而串行方式节约传输媒介，降低了系统互连的复杂性，传输速率更高、距离更远，已在芯片之间、处理器与外设之间、高速硬盘接口、背板连接等领域广泛应用。

为了克服时钟的最大翻转频率受到工艺限制的缺点，简化电路设计的复杂度以及时钟分布的难度，实现更高的速率，同时尽量降低系统功耗，半速率电路结构逐步取代全速率结构”_。本文根据2.5Gbps高速串行收发器的工作实际，为降低后续电路设计难度，采用工作速率较高的电流模式逻辑（Current Mode Logic，CML）设计了双环时钟数据恢复电路中的前端1：2解复用电路，采用SMIC 0.18 um模拟混合信号工艺实现并基于SpectraVerilog进行数模混合仿真，结果显示电路可以正常工作，符合预期要求。

1 解复用电路单元

解复用电路把一路高速信号还原为若干路低速信号，常用结构包括串行、并行、树形以及上 述3种结构的组合形式。串行解复用电路结构简单，时序关系清楚，可以实现任意1：N的解复用功能，但所有触发器工作在输入时钟频率上，其工作速度会制约电路的速度，因此串行结构对触发器设计和工艺的要求较高，而提高触发器速率会带来芯片功耗增加、电平摆幅减小，噪声容限变小等问题，因此常用于低速系统中；并行结构中触发器工作在输出数据速率上，对触发器速率要求小，因此功耗较低、设计简单，兼顾了速度与功耗，是1：2解复用电路的理想结构，但对于1：N解复用而言，N个并行连接的触发器对前级电路构成很大的电容负载，是速率提升变得困难；树形解复用电路充分利用1：2并行解复用电路的优点，使整个电路较前两种结构有高速低功耗的优点。

对于采用半速率结构的高速串行收发器而言，整个电路性能主要受前端1：2解复用电路的限制，同时考虑到为了增强信号可靠性，待处理的输人数据为差分数据，本文设计的1：2解复用电路采用类并行结构，如图1所示，上下两个电路为采用电流模式逻辑结构的解复用电路单元，输入为差分数据和互补时钟。

图1 差分输入互补时钟的1：2解复用电路原理图

电流模式逻辑电路相比传统的CMOS电路可以在更低的信号摆幅情况下工作在更高的频率。基于CML的解复用电路单元原理图如图2所示，其工作原理可以描述为：NMOS管N1L可以看做开关使用，在时钟 CKP为低电平期间截止，由N2L、N3L、P1L和P2L构成的输入级处于保持模式，N4L和N5L的漏极被充电到高电平；在时钟CKP为高电平期间导通，输入级处于透明状态，电路接 收差分输入数据Din_P和Din_N。电路中由P4L和P6L构成的正反馈电路对前级起到锁存作用，可以加速输出数据的翻转，提高转换速率；左下角的8个晶体管构成平衡负载电路，可以保证N4L和N5L输出线上的负载对称。输入数据在时钟信号控制下送到输出Dout，输出数据与输入数据反相。

图2 解复用电路单元原理图

图3 解复用单元电路仿真结果

对图1所示的解复用模块进行仿真，输入为由互补的PWL分段线性源指定的位周期为400 ps的差分数据，采用周期T=800 ps，上升时间和下降时间为tr=tf=40 ps的脉冲电压源作为时钟信号，仿真结果如图3所示。从图中可以看出有效数据部分从时钟的第二个高脉冲开始，从仿真结果可知，解复用电路可以正常实现数据1：2的串并转换。

2 用于高速收发器的解复用电路

在高速串行收发器的接收端，为了保证数据的鲁棒性和电路工作的可靠性，数据采用差分形 式。从第二部分可以看出基于CML的1：2解复用电路可以正常工作，因此可以以此为基础搭 建用于高速差分串行数据半速率收发器的前端1：2解复用电路。电路原理图如图4所示。其 中clkI与clkIN、clkQ、clkQN为互补时钟，clkI与clkIQ为正交时钟，DinP和DinNer位差分 输入的2.5Gbps串行数据，DmP与DmN、DsP与DmN为1：2解复用后的两路1.25Gbps查分数据。

图4 差分输入差分输出的1：2解复用电路原理图

图5 整体解复用电路的仿真波形图

采用SMIC 0.18um模拟混合信号工艺完成电路设计，现对图4所示解复用单元进行仿真。由于 分段线性电压源在表示数据时特别繁琐，而且单个指定数据难以保证仿真的随机性和全面性 ，故而这里采用数模混合的方法进行仿真。输入数据采用VerilogHDL语言编写的伪随机序列 ，采用Cadence的SpectreVerilog进行仿真。仿真结果如图5所示，比较输入数据和由主时钟 采样输出的数据，可以看出电路的解复用操作是正确的。

3 结论

本文描述了解复用电路的 传统设计方法并分析了各自特点，根据2.5Gbps高速串行收发器的应用实际，采用类并行结构、基于电流模式逻辑设计了收发器的前端解复用电路，并分析了其工作原理，采用SMIC O.18 um混合信号工艺完成了电路设计，并采用SpectreVerilog进行了数模混合仿真，结果表明该电路在2.5Gbps收发器电路中可以稳定可靠地工作。

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