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    為了緩解多通道SerDes中高頻時(shí)鐘信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中引入的噪聲過大和功耗過高的問題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多通道的低功耗低抖動(dòng)兩級(jí)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)；同時(shí)為了進(jìn)一步降低噪聲性能，在第２級(jí)鎖相環(huán)中設(shè)計(jì)了一種采樣鑒相器。該設(shè)計(jì)將第１級(jí)LC振蕩器鎖相環(huán)產(chǎn)生的低頻時(shí)鐘信號(hào)（3.125GHz）傳輸?shù)礁魍ǖ朗瞻l(fā)機(jī)后，將該信號(hào)作為第2級(jí)參考信號(hào)，再采用小面積的 環(huán)形振蕩器鎖相環(huán) 產(chǎn)生正交的高頻時(shí)鐘（12.5GHz），這種結(jié)構(gòu)降低了高頻時(shí)鐘在片上長(zhǎng)距離傳輸?shù)木嚯x，提高了收發(fā)機(jī)的時(shí)鐘質(zhì)量；此外該技術(shù)避免了使用高頻緩沖器，降低了功耗。其中第２級(jí)鎖相環(huán)通過無分頻鑒相技術(shù)提高了第２級(jí)環(huán)振鎖相環(huán)的噪聲性能。該時(shí)鐘發(fā)生器電路整體功耗為10０mW，第１級(jí)鎖相環(huán)相位噪聲擬合后為-115dBc／Hz，第２級(jí)環(huán)形振蕩器電路在１MHz處相位噪聲為－79dBc／Hz，鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)整體抖動(dòng)為2.7ps。正交時(shí)鐘偏差在300fs以內(nèi)。相比傳統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器，該設(shè)計(jì)性能有較大提高，功耗有明顯降低，適合應(yīng)用于100Gbps SerDes中。

近年來，高速串行接口發(fā)展迅速，根據(jù)ISSCC的統(tǒng)計(jì)，高速串行接口的速率在以每４年２～３倍的速率快速增長(zhǎng)，當(dāng)前高速串行接口的速率已實(shí)現(xiàn)了100Gbps新階 段。在５G 網(wǎng) 絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的驅(qū)動(dòng)下，以太網(wǎng)和高速通信網(wǎng)絡(luò)的速率也將驅(qū)使高速串口達(dá)到400Gbps級(jí)別。然而，４×100G的高速串口對(duì)高性能時(shí)鐘的抖動(dòng)與功耗方面提出了更高的要求。在高速串行接口的發(fā)射端，隨著通信速率的提升，高速串行接口的發(fā)射端最后一級(jí)串化器的時(shí)序變得非常緊張，時(shí)鐘的抖動(dòng)性能直接決定發(fā)射數(shù)據(jù)的質(zhì) 量；在基于相位差 值器（PhaseIn－terpolator，PI）的高速串行接口接收端，時(shí)鐘質(zhì)量直接決定時(shí)鐘恢復(fù) 電路（ClockandDataRecorvery，CDR）的抖動(dòng)容限性能。因此研究適用于多通道高速串行接口的低抖動(dòng)的時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)提升高速串行接口的性能至關(guān)重要。在４×10０GPAM４高速串口設(shè)計(jì)中，為了保證時(shí)鐘質(zhì)量，通常需要４個(gè)基于LC振蕩器的25GHz高頻時(shí)鐘，然而片上多個(gè)高頻LC振蕩器的設(shè)計(jì)除了需要付出面積和功耗的代價(jià)外，更重要的是多個(gè) LC振蕩器會(huì)相互干擾，會(huì)影響時(shí)鐘的抖動(dòng)性能。為了避免片內(nèi)多個(gè)振蕩器的相互干擾，2018年 YajunHe等人設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多通道高速串行接口的多鎖相環(huán)電路，該電路采用共享一個(gè)振蕩器的時(shí)鐘方案，由一個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生高頻時(shí)鐘，然后通過多級(jí)緩沖器給多通道高速串行接口提供時(shí)鐘信號(hào)。但是，高頻時(shí)鐘片內(nèi)的長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，隨著傳輸距離和緩沖器級(jí)聯(lián)數(shù)量的增加，時(shí)鐘抖動(dòng)性能也會(huì)急劇惡化。為了避免高頻時(shí)鐘的長(zhǎng)距離傳輸，2015 年 Jihwan Kimdengren 設(shè)計(jì)的 16～40Gb／s的NRZ／PAM４發(fā)射機(jī)中的時(shí)鐘電路采用了一種共享低速正交時(shí)鐘的方案，該方案通過共享一個(gè)高頻時(shí)鐘，然后經(jīng)過分頻器產(chǎn)生正交時(shí)鐘，最后將正交時(shí)鐘通過多級(jí)緩沖器傳輸至16～40Gb／s的發(fā)射機(jī)。2017年 GuangZhu等人提出另外一種共享四相正交時(shí)鐘的方案。但是，正交時(shí)鐘在長(zhǎng)距離傳輸中需要多級(jí)緩沖器，緩沖器的版圖位置、IR電壓降和工藝偏差都會(huì)導(dǎo)致緩沖器失配，然而正交時(shí)鐘的相位對(duì)緩沖器的失配異常敏感，所以多級(jí)級(jí)聯(lián)后的緩沖器不可避免的造成時(shí)鐘占空比失真加劇和IQ 正交時(shí)鐘的相位失配加劇。

圖１ 傳統(tǒng)電荷泵鎖相環(huán)噪聲模型

設(shè)電荷泵的增益為

式中：

由此可見，由于鎖相環(huán)中的 Ｎ 分頻器，電 荷 泵的噪聲功率被放大了

本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路主要由兩級(jí)鎖相環(huán)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖 2 中間部分所示。第 1 級(jí)鎖相環(huán)產(chǎn)生3.125 GHz 的差分時(shí)鐘，通過多級(jí)緩沖器傳送至每個(gè)數(shù)據(jù)通路，并將其作為每個(gè)通道中第 2 級(jí)鎖相環(huán)的參考信號(hào)。第 2 級(jí)鎖相環(huán)產(chǎn)生正交的 12.5 GHZ高頻時(shí)鐘給收發(fā)機(jī)。由于傳輸過程中采用3.125 GHz的低頻差分時(shí)鐘，避免了高頻時(shí)鐘長(zhǎng)距離傳輸時(shí)鐘抖動(dòng)性能的急劇惡化。另外，差分時(shí)鐘的傳輸可以遏制片上的共模干擾，而且，差分時(shí)鐘的相位失配和占空比時(shí)鐘不會(huì)影響第 2 級(jí)鎖相環(huán)的抖動(dòng)性能。該結(jié)構(gòu)利用第 1級(jí)低頻時(shí)鐘的相位在每個(gè)通道的第 2 級(jí)鎖相環(huán)中產(chǎn)生相位匹配的正交時(shí)鐘避免了正交時(shí)鐘長(zhǎng)距離傳輸后的相位失配。

圖２ 兩級(jí)鎖相環(huán)架構(gòu)的多相時(shí)鐘發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)

第1級(jí)鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖 2 中的下半部分所示，該結(jié)構(gòu)采用了較為成熟的整數(shù)分頻電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，將 125 MHz 時(shí)鐘信號(hào)作為參考時(shí)鐘，產(chǎn)生低抖動(dòng)的 3.125 GHZ 時(shí)鐘，該結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)類似。

第 2 級(jí)鎖相環(huán)整體結(jié)構(gòu)如圖 2 中的上半部分所示，該結(jié)構(gòu)是在環(huán)型振蕩器的基礎(chǔ)上利用采樣鎖相環(huán)技術(shù)，產(chǎn)生各通道中相位高度匹配的四相 12.5GHz 高速時(shí)鐘。第 2 級(jí)鎖相環(huán)電路的具體電路設(shè)計(jì)如圖 3 所示,為了優(yōu)化噪聲性能，采用了采樣鑒相器以代替分頻器和常規(guī)鑒相器的組合，抑制分頻器帶來的對(duì)鎖相環(huán)噪聲的增強(qiáng)作用，電路結(jié)構(gòu)如圖 4(a)所示;為了匹配采樣鑒相器，抑制雜散和噪聲，采用了一種改進(jìn)后的電荷泵結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)如圖 4(b)所示。為了滿足多通道高速串行接口電路中對(duì)多相時(shí)鐘信號(hào)的要求，在第 2 級(jí)我們采用了小面積的環(huán)形振蕩器生成正交信號(hào)電路結(jié)構(gòu)如圖 4(c) 所示。

圖３ 采樣鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖４ 電路組件示意圖

為了驗(yàn)證本文提出適用于多通道 400 Gb/s 收發(fā)機(jī)的時(shí)鐘發(fā)生器的性能，這里用一個(gè)時(shí)鐘通路的版圖進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖 5 所示，圖中標(biāo)號(hào) 1 與標(biāo)號(hào)4 為多級(jí) buffer,標(biāo)號(hào) 5 與標(biāo)號(hào) 2 為第1級(jí)鎖相環(huán)標(biāo)號(hào) 3 為第 2 級(jí)鎖相環(huán)。

圖５ 電路版圖

3.1 電路的后端仿真

本文對(duì)電路中的 2 種振蕩器分別進(jìn)行仿真。第1 級(jí)鎖相環(huán) LC 振蕩器的相位噪聲在 1 MHZ 頻偏處是-127 dBc/Hz,如圖 6 所示。第 2 級(jí)鎖相環(huán)環(huán)形振蕩器的相位噪聲在 1 MHz 頻偏處為-79 dBcHz,如圖 7 所示。第 1級(jí)鎖相環(huán)輸出的3.125 GHZ時(shí)鐘整體抖動(dòng)是1 ps,如圖 8 所示。經(jīng)計(jì)算總的相位噪聲在 1 MHz 頻偏處為-115 dBc/Hz,仿真計(jì)算結(jié)果如圖 9 所示。第 1級(jí)鎖相環(huán)信號(hào)經(jīng)過多級(jí)緩沖器后作為第 2 級(jí)鎖相環(huán)的參考時(shí)鐘信號(hào)，第 2 級(jí)鎖相環(huán)鎖的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)為 2.7 ps。第 2 級(jí)鎖相環(huán)輸出的正交時(shí)鐘偏差如圖 10 所示,偏差在 300 fs 以內(nèi)。從仿真結(jié)果可以得出,該鎖相環(huán)電路能夠滿足多通道 400 Gbps 高速串行接口電路的需求。

圖６ ＬＣ振蕩器的相位噪聲

圖７ 第２級(jí)鎖相環(huán)環(huán)形振蕩器相位噪聲

圖８ 第１級(jí)鎖相環(huán)時(shí)鐘抖動(dòng)

圖9  第１級(jí)鎖相環(huán)相位噪聲

圖10  鎖相環(huán)時(shí)鐘抖動(dòng)

振蕩器在鎖相環(huán)中的作用非常重要,振蕩器的噪聲對(duì)鎖相環(huán)的整體噪聲影響十分顯著，甚至可 以說振蕩器的噪聲性能對(duì)鎖相環(huán)的噪聲性能有著決定性的影響。表 1和表 2 分別表示 LC 振蕩器和環(huán)形振蕩器的性能,通過對(duì)比結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的振蕩器相位噪聲較低，性能較為優(yōu)秀，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表１ ＬＣ振蕩器性能比較

表２ 環(huán)形振蕩器性能比較

經(jīng)仿真測(cè)試，表 3 為第 1 級(jí)鎖相環(huán)性能比較結(jié)果。相比其他文獻(xiàn)結(jié)果,本設(shè)計(jì)中第 1 級(jí)鎖相環(huán)相位噪聲較低，性能較為優(yōu)秀。

表3  第1級(jí)鎖相環(huán)性能比較

經(jīng)仿真測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖 11,表 4 為仿真性能的對(duì)比情況,相比其他文獻(xiàn)結(jié)果,本文中第 2級(jí)鎖相環(huán)抖動(dòng)較小，性能較為優(yōu)秀，更加適合應(yīng)用在高速串行接口中。

圖11 正交時(shí)鐘偏差

表４ 第２級(jí)鎖相環(huán)性能對(duì)比

3.2 電路結(jié)構(gòu)對(duì)電路整體性能的影響

為了更好地說明本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘發(fā)生器在噪聲，功耗，面積等方面的優(yōu)勢(shì)，我們根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比電路，該電路由一個(gè) LC 鎖相環(huán)直接生成 12.5 GHz 的時(shí)鐘信號(hào)，并經(jīng)過多級(jí)buffer 傳輸?shù)绞瞻l(fā)機(jī)，該電路同樣只保留一條時(shí)鐘通路，電路版圖見圖 12.

圖12  對(duì)比用版圖

從仿真結(jié)果可以看出，相比單極鎖相環(huán)直接為收發(fā)機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，兩級(jí)鎖相環(huán)在功耗，面積以及噪聲性能上都有明顯提高。從表 5 中的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)四相位鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)在抖動(dòng)性能、功耗和面積更加適合應(yīng)用于多通道的 100 Gbps 多通道高速串行接口。

表５ ２種電路結(jié)構(gòu)的對(duì)比