用于CDR電路的相位插值選擇電路設(shè)計

0 引言

　　在高速多通道串行收發(fā)系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)在傳輸時會受到多種噪聲的影響而失真，因此在接收端要進行時鐘的恢復(fù)和數(shù)據(jù)的重定時，即時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)。然而由于工藝、電壓的影響以及系統(tǒng)對功耗和抖動性能的要求，過去采用的各通道擁有獨立鎖相環(huán)路的方案已逐漸被設(shè)計者舍棄，取而代之的是雙環(huán)時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)環(huán)路。其基本思想是：時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)單元的各個通道共享同一個鎖相環(huán)，由該環(huán)路統(tǒng)一向各通道提供多相參考時鐘，各通道的CDR環(huán)路則利用已經(jīng)產(chǎn)生的多相時鐘完成數(shù)據(jù)的重定時。這樣既避免了由于不同鎖相環(huán)輸出時鐘間的差異而造成系統(tǒng)性能的下降，又減小了芯片面積和系統(tǒng)功耗。 本文研究了時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)環(huán)路中多相正交參考時鐘的產(chǎn)生原理，根據(jù)所設(shè)計的2.5 Gbit／s CDR的要求，通過對傳統(tǒng)正交時鐘產(chǎn)生過程的分析，提出了一種新的相位插值一選擇方案，并采用0.18μmCMOS工藝實現(xiàn)。在SMIC 0.18μm CMOS工藝下采用Spectre進行了驗證，結(jié)果顯示該電路有效地提高了輸入抖動容限。

1 電路結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生方案

　　圖1給出了雙環(huán)時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)環(huán)路的基本結(jié)構(gòu)，其中，鑒相器(PD)比較輸入數(shù)據(jù)和參考時鐘的相位，必須在且只需在數(shù)據(jù)跳變處檢測出兩者問的相位誤差，即為了進行數(shù)據(jù)的自動重定時，鑒相器必須利用時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣，這就需要多點采樣方案。為了滿足采樣要求，參考時鐘相位的最小數(shù)目是2，文獻[1]認為數(shù)目為4是因為每個時鐘信號在差分完成方式下都自動產(chǎn)生了各自的互補信號，所以這里將參考時鐘相位的最小數(shù)目定為2。這兩個時鐘的相位相鄰，且呈正交關(guān)系，盡管可以采用更多的時鐘相位來降低噪聲靈敏度，但正交時鐘產(chǎn)生相對簡便，而且對于數(shù)據(jù)的抖動性能要求低，同時也可以降低時鐘分布網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度以及功耗和面積。

 
1.1 傳統(tǒng)的正交時鐘產(chǎn)生方案

　　為了實現(xiàn)正交相位時鐘，把整個360°的插值范圍離散地劃分為4個象限，如圖2(a)所示，每個象限的插值范圍是90°。當插值向量從一個象限轉(zhuǎn)移到另一個象限時，時鐘就被它的互補時鐘所代替。為了降低抖動和相位不連續(xù)性，這種替換必須在不影響環(huán)路正常工作的情況下完成，于是采用象限邊界控制單元來保證時鐘的替換只發(fā)生在時鐘混頻權(quán)重為0的時候，這樣在理論上實現(xiàn)了時鐘相位所在象限的平滑轉(zhuǎn)移。然而在實際實現(xiàn)時，由于各種負面因素，比如相位邊界控制單元的偏移，工藝、電壓、溫度的變化等，會產(chǎn)生如圖2(b)所示的相位階躍，從而導(dǎo)致抖動性能的下降，時鐘的偏移較大。

 
1.2相位插值-相位選擇的正交時鐘產(chǎn)生方案

　　相位插值一相位選擇的正交時鐘產(chǎn)生方案可描述為：首先由圖1所示的第一個環(huán)路產(chǎn)生16相標準參考時鐘，相位間隔為2π／16，即π／8，每個時鐘clk_i的相位可以表示為Pclk_i=(i-1)π／8；然后利用每兩個相鄰相位的時鐘進行插值，從而得到32相參考時鐘，此時得到的插值后時鐘與其相鄰時鐘相位間隔為π／16，時鐘clk_i和clk_i+1進行插值后得到的時鐘相位可以表示為Pclk_i，i+1=iπ／8-π／16；在進行時鐘相位插值的同時對32相時鐘進行第一次相位選擇，選擇出8相兩組時鐘clk1～clk8，其中clk1、3、5、7組和clk2、4、6、8組的組內(nèi)相鄰相位問隔為π／2，而且每組內(nèi)部4個時鐘各有4個不同相位，相位問隔為π／16；之后根據(jù)低通濾波器對鑒相器工作結(jié)果的譯碼，得出在這兩組正交時鐘中的選擇方案，即相位的選擇，最后把選擇后的時鐘送人輸出緩沖器，完成單端到雙端的轉(zhuǎn)換，生成各時鐘的互補時鐘送到后續(xù)的半速率鑒相器中完成數(shù)據(jù)的重定時工作。

　　這樣就完成了正交時鐘的生成工作，該對正交時鐘在完成數(shù)據(jù)重定時的過程中，相位的調(diào)整步伐為π／16，即數(shù)據(jù)周期的1／32，可以達到數(shù)據(jù)重定時的精度要求。圖3所示為正交時鐘產(chǎn)生方案的模塊圖。

2 實現(xiàn)電路及晶體管級仿真

2.1 相位插值及第一次相位選擇電路

　　根據(jù)上文，從圖1所示的第一個環(huán)路送出的16相參考時鐘進入正交時鐘產(chǎn)生模塊后，首先完成相位的插值操作，生成32相參考時鐘。這里把16相參考時鐘信號進行相鄰交叉重疊分組，共分8組，分別送人8個相位插值電路。每個相位插值電路對輸入時鐘完成插值操作后，經(jīng)slc_i，i=1、2、3、4信號選擇出一相，共得到8個相位的時鐘。圖4所示為一組相位插值電路圖，從圖中可以看出該組相位插值電路的輸出時鐘信號clk1的表達式為(其余7組類似)

　　四個選擇信號slcl_1、slcl_2、slcl_3、slcl_4同一時間內(nèi)只有一個有效，比如slcl_2信號為高時，輸出為clk_1與clk_2進行相位插值后的結(jié)果。設(shè)計中N12、N13、N22、N23、N32、N33、N42、N43具有相同的寬長比，N11、N21、N31、N41有相同的寬長比且其寬長比為N12寬長比的兩倍。以slcl_2信號有效為例，輸出節(jié)點clkl的上升時間由P1決定；下降時間與對clkl節(jié)點負載電容的放電電流成正比，僅由N22和N23的導(dǎo)通情況決定，N22和N23同時導(dǎo)通時其放電電流是N22和N23僅有一個導(dǎo)通時的兩倍，將N22和N23同時導(dǎo)通時clkl的下降時間記為τ，則N22和N23僅有一個導(dǎo)通時clkl的下降時間為2τ。如果N23輸入上升沿滯后于N22輸入上升沿的時間小于τ，從N22輸入上升沿時刻到N23輸入上升沿這段時間內(nèi)的放電電流是N23輸入上升沿之后放電電流的1／2。記N23輸入上升沿滯后于N22輸入上升沿的時間為T，這種情況下總的延時約為T+(2τ-T)／2=τ+T／2；輸出信號的相位位于clk_1和clk_2相位差的1／2處，實現(xiàn)了相位插值。其插值過程波形可用Cadence Spectre仿真得到，如圖5所示。

　　這里注意到有些進行插值的時鐘是同一個時鐘信號，這是為了使各種情況下輸出時鐘信號的延時相匹配。

　　這個相位插值電路只要滿足T<τ就可以在很寬的時鐘范圍之內(nèi)實現(xiàn)相位插值，所產(chǎn)生的時鐘相位與電源電壓、工作溫度無關(guān)，僅取決于用于插值的NMOS管尺寸的匹配程度，通過版圖設(shè)計可以將用于插值的NMOS管的不匹配程度降到最低。輸出相位的穩(wěn)定程度只取決于輸入時鐘的穩(wěn)定程度，不會降低電路的抖動指標。

2.2不同相位的正交時鐘選擇電路

　　經(jīng)過第一次時鐘相位的選擇，已經(jīng)得到了相位正交的參考時鐘，但是還需要選擇用哪一對正交時鐘對輸入的數(shù)據(jù)進行重定時。圖6所示為正交時鐘的選擇電路圖，最終選擇輸出的時鐘信號clkI和clkQ對應(yīng)的時鐘彼此正交，其相位關(guān)系與行為描述一致：slc2_5信號有效時，clkI的相位在π和2π之間，按照slc2_1、slc2_2、slc2_3、slcl_4的順序依次有效，輸出時鐘clkI的相位遞減，步長為π／4；slc2_6信號有效時，clkI的相位在0和π之間，按照slc2_1、slc2_2、slc2_3、slcl_4的順序依次有效，輸出時鐘clkI的相位遞增，步長為π／4。

2.3時鐘輸出緩沖器

　　為了增加電路的驅(qū)動能力，并產(chǎn)生兩個正交時鐘的互補信號用于后續(xù)的半速率鑒相器等電路，在把時鐘信號clkI和clkQ送人后續(xù)電路進行數(shù)據(jù)恢復(fù)之前，先將其送入如圖7所示的時鐘緩沖器。時鐘信號在此經(jīng)過緩沖放大，而且兩個互補時鐘信號的輸出彼此構(gòu)成正反饋，提高了轉(zhuǎn)換速率。

2.4 總體電路的晶體管級仿真

　　采用Cadence Spectre在0.18μm CMOS工藝庫下對整個電路進行晶體管級仿真，結(jié)果如圖8所示。電路的輸入是16相頻率為1.25 GHz，即周期為800 ps、相鄰相差為π／8，即相差50 ps的時鐘，以及相位選擇信號，從圖8可以看到插值后的時鐘與預(yù)期一致，所分兩組時鐘組內(nèi)相差為200.47 ps和201.472 ps，呈正交關(guān)系。

3 結(jié)論

　　本文描述了雙環(huán)時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路利用相位正交的參考時鐘進行工作的原理，通過對傳統(tǒng)的正交時鐘產(chǎn)生過程的分析和現(xiàn)有電路的改進，提出了一種相位插值一相位選擇產(chǎn)生方案，并進行了理論分析，同時在TSMC 0.18μm CMOS仿真工藝Spectre環(huán)境下進行了驗證。該電路與電源電壓、工作溫度和工藝無關(guān)，在輸出的相位上不會引入附加抖動，在數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)電路中應(yīng)用相比采用傳統(tǒng)電路可以提高輸入抖動容限。