一種用于時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的寬帶鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

(1.華虹NEC電子有限公司，上海201206;2.東南大學(xué)軟件學(xué)院，南京210096)

(1.華虹NEC電子有限公司，上海201206;2.東南大學(xué)軟件學(xué)院，南京210096)

鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于電信、光收發(fā)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)局域網(wǎng)以及無線產(chǎn)品中，提出了一種新穎的應(yīng)用于時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，包括鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、換擋電路、壓控振蕩器以及環(huán)路狀態(tài)檢測電路的設(shè)計(jì)，采取的方案是對(duì)環(huán)路濾波器的模擬電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)態(tài)調(diào)整鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路參數(shù)，該結(jié)構(gòu)能夠很好的應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)流變化范圍極寬(20 Mbit/s～2.5 Gbit/s)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用了一種單供電電壓的0.18μm CMOS工藝，并給出Cadence環(huán)境下仿真結(jié)果。

鎖相環(huán);時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù);寬帶;多相位

隨著集成電路的發(fā)展，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)的應(yīng)用越加廣泛，無論是在長距離光纖通信還是在短距離并行I/O接口通信中CDR電路都是一個(gè)關(guān)鍵的電路模塊［1］，而基于鎖相環(huán)的CDR設(shè)計(jì)又是很熱門的方案，作為其核心部分的鎖相環(huán)直接決定了CDR系統(tǒng)的性能。

電源和襯底噪聲對(duì)鎖相環(huán)有較大影響，由傳遞函數(shù)可看出環(huán)路對(duì)噪聲來說是個(gè)低通濾波器，因此可知環(huán)路帶寬越窄，抖動(dòng)越?。?］?？紤]到面積方面，由于單片集成的要求使得環(huán)路濾波器的電容無法做到很大。穩(wěn)定性方面的要求則限制著帶寬的拓展。環(huán)路濾波器的截止帶寬與電荷泵充放電電流的大小及壓控振蕩器的增益對(duì)PLL帶寬有著直接的影響。本設(shè)計(jì)采取的方案是對(duì)環(huán)路濾波器的模擬電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以動(dòng)態(tài)改變鎖相環(huán)的電荷泵電流、環(huán)路濾波器的電阻值和壓控振蕩器的增益來調(diào)整鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路參數(shù)，從而使鎖相環(huán)能夠較穩(wěn)定地跟蹤速率變化極寬的數(shù)據(jù)流［3-8］。

目前有很多基于鎖相環(huán)的CDR電路設(shè)計(jì)與討論，但很少有專門應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)流變化極寬的CDR系統(tǒng)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的目的在于提供可以工作于輸入數(shù)據(jù)流變化范圍10 Mbit/s～2.5 Gbit/s的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)核心部分的鎖相環(huán)前端電路設(shè)計(jì)。

1 電路模塊設(shè)計(jì)

圖1為應(yīng)用于CDR系統(tǒng)的核心部分鎖相環(huán)信號(hào)鏈路框圖。其中包括鑒頻鑒相器(PFD)模塊、電荷泵(CP)模塊、環(huán)路濾波器(LPF)模塊、壓控振蕩器(VCO)模塊、換擋電路(Gear)模塊、鎖定指示器(LockDec)模塊。

與經(jīng)典鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)相比此設(shè)計(jì)中的亮點(diǎn)就是增加了換擋電路模塊與狀態(tài)檢測電路模塊，結(jié)合環(huán)路特點(diǎn)可以將變化范圍較大的輸入?yún)⒖碱l率Fref分為高、中、低三個(gè)區(qū)間，從而在每個(gè)區(qū)間優(yōu)化環(huán)路參數(shù)，使鎖相環(huán)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，換擋電路如圖2所示，具體過程是由換擋電路模塊監(jiān)測LPF的模擬電壓大小來調(diào)換檔位gear1、gear2，也即同步調(diào)整CP充放電流、LPF電阻值、VCO振蕩頻率。鎖定指示器模塊主要是對(duì)up(上)、dn(下)信號(hào)的處理從而來判斷環(huán)路是否鎖住［9］。

圖1 多相位鎖相環(huán)電路框圖

圖2 換擋電路原理圖

下面分模塊介紹具體電路設(shè)計(jì):

1.1 鑒頻鑒相器(PFD)模塊

傳統(tǒng)的鑒頻鑒相器存在“死區(qū)”與信號(hào)延遲時(shí)間不同等問題，都會(huì)造成VCO的不必要的抖動(dòng)。因此我們對(duì)傳統(tǒng)PFD做了如下改進(jìn):第1，在傳統(tǒng)鑒頻鑒相器中的四輸人與非門后增加延遲電路，推遲復(fù)位信號(hào)，從而使輸出的up、dn信號(hào)的脈沖寬度變寬解決“死區(qū)”問題［10］，電路如圖3所示。第2，四輸入與非門采用如圖4所示電路設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)使得任意輸入為低時(shí)都可以很快傳遞到輸出端，解決信號(hào)延遲不同問題。

圖3 改進(jìn)型PFD原理圖

1.2 電荷泵(CP)模塊

傳統(tǒng)電荷泵中主要存在的不理想特性主要包括: (1)電流失配;(2)電荷注入;(3)時(shí)鐘饋通;(4)電荷分享。電流失配一般主要是由電荷泵中的電流鏡不匹配引起，在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過加強(qiáng)對(duì)版圖規(guī)劃與增加管子的寬度來削弱其影響。電荷注入、時(shí)鐘饋通引入的誤差一般可以通過將控制信號(hào)的輸入管盡量遠(yuǎn)離電容來減小。同時(shí)為了調(diào)節(jié)環(huán)路的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)創(chuàng)新的引入了gear1、gear2兩個(gè)輔助“換擋”控制信號(hào)，貫穿于電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器的調(diào)節(jié)。gear1、gear2提供了3個(gè)可選檔位，如表1所示。圖5為本設(shè)計(jì)所采用的可控電流型電荷泵原理圖，通過自舉的方式有效消除了電荷共享的影響。

圖4 四輸入與非門原理圖

表1 檔位表

圖5 CP原理圖

1.3 環(huán)路濾波器(LPF)模塊

傳統(tǒng)一階環(huán)路濾波器存在穩(wěn)定性問題，會(huì)對(duì)控制電壓產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生嚴(yán)重的相位噪聲和雜散分量，為了使電壓穩(wěn)定，可以在一階無源環(huán)路濾波器的基礎(chǔ)上并連一個(gè)小電容，雖然使得鎖相環(huán)變成三階而產(chǎn)生穩(wěn)定性困難，但是只要并聯(lián)電容為原來電容的1/5到1/10，閉環(huán)的時(shí)間和響應(yīng)就相對(duì)保持不變。同樣的為配合環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化，環(huán)路濾波器采用分檔制，如圖6所示，控制信號(hào)gear1、gear2控制著濾波器中電阻的大小，由此來調(diào)節(jié)LPF的帶寬，優(yōu)化環(huán)路。

圖6 LPF原理圖

1.4 壓控振蕩器(VCO)模塊

壓控振蕩器則是鎖相環(huán)中最核心的部件，一方面它的工作頻率范圍決定了電荷泵鎖相環(huán)的捕獲范圍，另一方面它的噪聲抑制能力決定了鎖相環(huán)的噪聲性能。因此，它的性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)鎖相環(huán)的性能的優(yōu)劣［11-12］。本設(shè)計(jì)由于采用十級(jí)Buffer的延遲，振蕩器在較低頻率上工作，而引入的兩個(gè)控制信號(hào)gear1、gear2可以有效的調(diào)節(jié)VCO的振蕩頻率，使得頻率在感興趣的范圍內(nèi)具有良好的線性度。由噪聲傳遞函數(shù)可以看出輸出頻率中的噪聲正比于VCO的增益，所以要使噪聲效應(yīng)減到最小，其增益必須最小，這與調(diào)節(jié)的范圍是直接矛盾的，所以本設(shè)計(jì)根據(jù)調(diào)節(jié)gear1、gear2控制信號(hào)較好的減小了這種矛盾。如圖6所示，在輸出端增加了飽和增益級(jí)電路從而保證了全擺幅的輸出信號(hào)，圖8為延時(shí)級(jí)單元電路，電路中g(shù)ear1、gear2控制信號(hào)的產(chǎn)生由監(jiān)測LPF濾波后的電壓來調(diào)整。

圖7 VCO原理圖

圖8 延時(shí)級(jí)原理圖

本設(shè)計(jì)還增加了一個(gè)特色功能:鎖定指示器。如圖9所示，當(dāng)環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，輸出端Lock信號(hào)將輸出高電平做出指示，由此可以很直觀的判斷電路的工作狀態(tài)。

圖9 鎖定指示器

2 仿真結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)采用一種3.3 V的單供電電壓0.18μm CMOS工藝進(jìn)行仿真，輸入?yún)⒖碱l率分別采用2 MHz、50 MHz、250 MHz連續(xù)變化的方波，Cadence環(huán)境下鎖相環(huán)仿真結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明此鎖相環(huán)可以工作于頻率變化為2 MHz～250 MHz的情形下，換擋信號(hào)gear1、gear2有效地控制了環(huán)路參數(shù)的變化，由仿真結(jié)果圖可以明顯看出在換擋信號(hào)切換的時(shí)候環(huán)路濾波器的電壓有著明顯的變化趨勢。

在不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間上電路有著良好的相應(yīng)性能，如圖11所示，電路由初始態(tài)到穩(wěn)定到低頻段2 MHz用時(shí)53μs，在低頻段轉(zhuǎn)換到中頻段即2 MHz～50 MHz切換用時(shí)為22μs，在中頻段向高頻段切換時(shí)即50 MHz～250 MHz也僅僅用了32μs，可以看出電路的響應(yīng)性能是相當(dāng)良好的。

圖10 仿真結(jié)果

圖11 穩(wěn)定時(shí)間

在電路穩(wěn)定工作后其噪聲所產(chǎn)生的抖動(dòng)也是比較小的，如圖12所示，在低頻段2MHz時(shí)抖動(dòng)幅值為0.26 mV，在中頻段50 MHz時(shí)抖動(dòng)幅值為0.29 mV，在高頻段250 MHz時(shí)抖動(dòng)幅值也僅為0.68 mV，所以電路在抑制噪聲抖動(dòng)方面也有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。

圖12 抖動(dòng)幅值

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于CDR系統(tǒng)的多相位鎖相環(huán)電路，該電路采用3.3 V單供電電壓0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明該電路可以很好的工作于數(shù)據(jù)流變化極廣的應(yīng)用中，由于此設(shè)計(jì)是十相位輸出，因此CDR可處理數(shù)據(jù)流變化范圍為10 *Freq(20 Mbit/s～2.5 Gbit/s)，與一般鎖相環(huán)相比有著覆蓋速率范圍廣、高穩(wěn)定性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，該電路采用了新穎的設(shè)計(jì)思路，通過對(duì)濾波器模擬電壓的監(jiān)控從而動(dòng)態(tài)改變環(huán)路參數(shù)使得鎖相環(huán)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，相信該設(shè)計(jì)經(jīng)過工藝的進(jìn)一步優(yōu)化和版圖設(shè)計(jì)，其IP核將完美的服務(wù)于寬速率CDR系統(tǒng)。

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一種用于時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)的寬帶鎖相環(huán)設(shè)計(jì)*

王 旭1，2，朱紅衛(wèi)1

A W ide-Band PLL Circuit Design Applied in CDR*

WANG Xu1，2，ZHU Hongwei1
(1.Huahong NEC Electronics Co.Ltd.，Shanghai201206，China;2.Software College，Southeast University，Nanjing210096，China)

PLL has been widely used in the area of communications.A new type of PLL applied in CDR was proposed which including six parts(phase frequency detector，charge pump，loop filter，voltage controlled oscillator，gear generation，lock detector)，and adopting theway ofmonitoring the voltage of LPF to dynamically adjust system parameters.It can meetwell the demand that the input data vary from 10 Mbit/s to 2.5 Gbit/s in CDR.Detail simulation was given at the Cadence design environmentwith a 3.3 V single voltage 0.18μm CMOS process.

PLL;CDR;wide band;multi-phase

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.017

TN761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)06－0828－05

項(xiàng)目來源:國家集成電路項(xiàng)目(2009ZX02303)

2013-03-20修改日期:2013-04-09

EEACC:1250;1265E

王 旭(1987-)，男，江蘇省沛縣，漢族，現(xiàn)于東南大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)。目前任于上海華虹NEC電子有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)部實(shí)習(xí)工程師。參與國家集成電路項(xiàng)目《0.18微米/0.13微米鍺硅BiCMOS成套工藝技術(shù)》，wangxu@hhnec.com，wangxu1988wo@163.com;

朱紅衛(wèi)(1968-)，男，1997年畢業(yè)于上海交通大學(xué)微電子所，獲博士學(xué)位，現(xiàn)任上海華虹NEC設(shè)計(jì)主管，同時(shí)被聘為上海交通大學(xué)微納技術(shù)學(xué)院兼職教授，長期從事模擬和射頻電路設(shè)計(jì)，在國內(nèi)外發(fā)表論文三十余篇，獲專利授權(quán)10項(xiàng)，申請(qǐng)20多項(xiàng)。