（微电子学与固体电子学专业论文）基于usb20的时钟数据恢复电路的设计.pdf

摘要 摘要 本文基于t s m c0 1 8 1 x m1 p 6 mc m o s 逻辑工艺设计并实现了应用于u s b 2 0 系统的时钟数据恢复电路。该时钟数据恢复电路输入串行数据信号数据率为 4 8 0 m b p s ，锁定时间为1 8 9 n s ，输出恢复时钟频率4 8 0 m h z ，抖动约为1 0 4 1 p s 。 完全满足u s b2 0 的要求。 本文重点研究了时钟数据恢复电路的结构和实现方法，并根据u s b2 0 系统 要求，设计实现了低抖动，快速锁定的4 8 0 m h z 时钟数据恢复电路。本设计采用 了自上而下的设计方法，首先根据系统指标的要求确定电路结构；接着用m a t l a b 建立线性化模型并用v e r i l o g a m s 进行行为级仿真和优化；然后根据系统仿真的 结果，设计了具体的晶体管级电路，并进行了分析和优化；最后完成时钟数据恢 复电路的版图设计，并通过了所有的物理验证和后仿真。 本文的重点在于利用锁相环电路实现预先锁频的功能，利用电压控制延迟线 实现时钟和数据相位的锁定，并通过微调的压控振荡器实现对发送端时钟频率的 跟踪。通过预先锁频技术，极大的加快了时钟和数据锁定的速率，同时采用闭环 结构，具有很好的相位噪声抑制作用，大大降低了时钟数据恢复电路的抖动。 本文的研究成果对时钟数据恢复电路的系统级设计，电路设计以及版图设计， 以及锁相环电路的系统级设计，电路设计以及版图设计，特别是抖动的分析和仿 真，均有很好的参考价值。 关键词时钟数据恢复：u s b2 0 ；锁相环；低抖动gh o g g e 鉴相器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si sa i m e da td e s 噜n i n ga n dr e a l i z i n gac l o c ka n dd a t ar e c o v e r yc i r c u i t f o ru s b2 0s y s t e mb a s e d o nt s m c0 18 朋1 p 6 mc m o s l o g i cp r o c e s s a c c o r d i n g t ot h ep o s t l a y o u ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e 试p u ts e r i a ld a t ar a t eo fc l o c kd a t ar e c o v e r y c i r c u i ti s4 8 0 m b p s ，t h el o c kt i m ei s18 9 n s ，t h er e c o v e rc l o c kf r e q u e n c yi s4 8 0 m i - i z , a n dt h er m s j i t t e ri sa b o u t1 0 4 1 p s t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sc d rr a l l ym e e t st h e r e q u i r e m e n to f u s b2 0s y s t e m t h i st h e si sm a i n l yd e a l sw i t ht h es t r u c t u r ea n dd e s 谵nm e t h o do fc l o c ka n dd a t a r e c o v e r yc i r c u i t ，a n dd e s i g nal o w - j i t t e r , f a s t - l o c k i n g4 8 0 m i - i zc l o c ka n dd a t ar e c o v e r y c i r c u i tf o ru s b2 0s y s t e m i nt h i sd e s i g n ，t h et o p - d o w nd e s i g nf l o wi su s e d f i r s t l y , d e t e r m i n et h ec d rs t r u c t u r eb a s e do nt h eu s b2 0 s p e c i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n ； s e c o n d l y , b u i l dt h ec d rs y s t e ml i n e a rm o d e li nm a t l a ba n dt h eb e h a v i o rm o d e lu s i n g v e r i l o g a m s ，a n do p t i m i z et h es y s t e mp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ； t h i r d l y ，d e s i g nt h et r a n s i s t o r - l e v e lc i r c u i t ，a n do p t i m i z ei ta c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s ；f i n a l l y , c o m p l e t et h el a y o u td e s i g na n dp h y s i c a lv e r i f i c a t i o n t h ef e a t u r eo ft h i sd e s 培ni su s i n gp h a s el o c k e dl o o pf o rf r e q u e n c yl o c k i n ga n d v o l t a g ec o n t r o l l e dd e l a yl i n ef o rd a t aa n dc l o c kp h a s el o c k i n g m e a n w h i l e ，r e a l i z e t r a n s m i t t e rc l o c kf r e q u e n c yt r a c k i n gb yf m e - t u n ev o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r t h e p r e - f r e q u e n c yl o c k i n gt e c h n i q u ec a na c c e l e r a t et h ep h a s el o c k i n ga n dt h ec l o s el o o p s t r u c t u r ec a l lr e s t r a i nt h ep h a s en o i s et or e d u c et h ec l o c k j i t t e r t h ea c h i e v e m e n to ft h i sw o r kp r o v i d e sl o t so fu s e f u lc o m m e n t sa n di s g o o d r e f e r e n c eo nt h ed e s i g no fc l o c ka n dd a t ar e c o v e r yc i r c u i ta n dp h a s el o c k e dl o o pi n s y s t e ml e v e l , c i r c u i tl e v e la n dl a y o u tl e v e l k e yw o r d sc l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ；u s b2 0 ；p l l ；l o wj i t t e r ；h o g g ep h a s e d e t e c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：吼蚴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 翩躲鸳鸯亟啉丝灶 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 9 6 5 年，英特尔( i n t e l ) 创始人之一戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 首次提出 了影响整个半导体工业乃至整个人类社会半个世纪的“摩尔定律 集成电路 上可容纳的晶体管数目，约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而 价格下降一半：或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔1 8 个月翻两倍 以上【。图1 1 显示了摩尔定律发展的一个例子：c p u 集成度的提高及其所对应 得单个晶体管价格的下降 5 3 1 。 、 骚 缸 簟 瘴 蕾 擒 辞 假 粼 鞋 $ 密 1 敏 嚣 曙 靖 图1 1c p u 集成度及其所对应的单个晶体管价格 f i g u r e1 - 1i n t e g r a t i o no fc p ua n dc o r r e s p o n d i n gp m cp e rt r a n s i s t o r 正是在摩尔定律的指引下，人类社会发生了巨大的变革。首先，人们对数据 的处理能力有了飞速的发展，具体的体现就是计算机尤其是个人电脑的快速升级 和迅速的普及。另一方面，数据的传输带宽也在对速度的不断渴求中持续的拓展， 最典型的例子就是互联网的普及和无线通信技术的迅猛发展。如今，一张无形的 数据网络已经覆盖了几乎所有人类活动的领域，承担着浩瀚的数据传输的任务， 而数据通信技术已经成为维持人类社会正常运转的重要基础。 数据通信中的基带通信方式是将数据直接发送，而不经过调制由载波发送， 这种方式构成了近2 0 年来远距离宽带数据通信的主流 2 1 。基带通信一般又可分 为两种方式，并行数据通信方式和串行数据通信f 3 】。所谓并行方式，是指多位数 据并行传输，为了划分字节，并行数据传输的同时，同步时钟必须同时传输，如 l 北京丁业大学t 学硕士学位论文 图1 2 所示。并行数据通信方式简单易行，一般应用于短距离的信号传输场合。 而串行数据传输通信方式是将字节信号逐位传输，并且不使用额外的同步时钟信 号，如图1 3 所示。串行数据通信在很多情况下可以节约系统的成本，在远距离 通信中非常盛行o 例如人们所熟悉的以太网( e t h e m e t ) 传输，同步光网络 ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ，s o n e t ) 传输【4 】，以及其他一些协议构成了远 距离宽带数据传输通信的主要模式。这些传输协议都是典型的串行数据传输方案。 b i t1o c | o 匿罂毽翟墨显塑窭豇_ b i t2o o | o 匿翌霆霎鋈置霎霎蛩一 b i tno o o 霞雯瑟霆霎霎霎霎图一 时钟厂八八雹显蚕蚕蚕瑟鍪壅霆鋈卜 图l - 2 并行数据通信方式 f i g u r e1 - 2t h ep a r a l l e ld a t ac o m m u n i c a t i o nm o d e 串行数据弘i ) ( d 匿鋈蒌委墓蚕蚕銎霎蚕霾窭蒌蒌蚕争一 图l - 3 串行数据通信方式 f i g u r e 卜3t h es e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o nm o d e 时至今日，即使在短距离的数据传输领域，基带信号的传输也由传统的并行 方式向串行方式转变。传统并行总线形式，包括p c i ( p e r s o n a l c o m p u t e r i n t e r f a c e ) 5 1 、v m e ( v e r s am o d u l ee u r o c a r d ) 及它们的扩展，在高速传输的应用下，存在 着码间干扰、信号偏移、串音干扰、各数据线之间的时钟偏斜以及直流偏置等问 题，这些因素严重的影响了并行接口频率的提高和传输距离的增长。同时，为了 保证高速信号不受外界噪声的干扰，并行传输的信号往往需要较高的电源电压， 这也同样为低功耗的设计提出了极大的挑战。和并行传输方式相比，串行数据传 输具有可以发掘单个数据通路，可以利用低压差分信号模式和数据编码技术，简 化连线环境等技术优势，能够克服上述高速并行传输存在的种种缺点，实现更大 数据的吞吐量和数据信号带宽，获得更高的传输速度和更远的传输距离。高速串 行数据传输模式正成为新一代的i o 接口技术，如用于多种外围设备连接的通用 串行总线u s b 2 0 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s2 0 ) 【6 】接口和i e e e l 3 9 4 7 接口；旨在取 代p c i 总线的用于芯片间和板卡间数据传输的p c i e x p r e s s s l 接口；取代并行硬 盘接口( i d e ) 的串行硬盘接口标准s a t a ( s e r i a l a d v a n c e d t e c h n o l o g y a t t a c t u n e n t ) 9 1 ；主要针对需要长距离传输数据的广域存储和系统网络连接的i n f m i b 孤d i l 0 1 接 2 第1 章绪论 口；可连接在芯片与芯片间和系统内不同电路板间传输数据的标准串行r a p i d i o n l 接1 2 1 等等。 在串行数据通信传输中，收发电路负责将内部并行数据与外部串行数据进行 转换，因而一般是数据通路上工作速率最高的部分。在发送端，电路利用高速时 钟采样的原理，将并行数据中的位数据逐个送到传输介质上，实现并行到串行的 转换。而在接收端，发送方与接收方没有共享的时钟信号进行数据的同步，接收 方在收到数据后，需要从接收到的数据流中恢复出时钟信号以实现同步操作，时 钟和数据恢复( c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y ，c d r ) 电路负责将串行数据中的时钟 提取出来，并利用这个时钟对串行信号采样生成数字信号。后级的串一并转换电 路再利用恢复出来的时钟信号和采样得到的数据，将数据从串行转换为并行，同 时还可以判断串行数据的特征码型，实现字节同步。 般而言，当串行信号在发送端出现在介质上时，特性比较理想。而由于信 道的低通特性，当数据经过传输介质到达接收器的时候，幅度将会衰减，并且叠 加上了外界的噪声和干扰。接收端为了从串行的数据中提取出数据，必须选择最 佳时刻对数据采样和判决，将信号转化为数字信号。此时的输入数据必须具有最 大的幅度，以保证产生误码的几率最小【1 2 l 。由此可见，设计实现高性能的串行 数据收发电路的主要困难集中于高速高性能的时钟数据恢复电路的设计。设计一 个高性能的高速时钟数据恢复电路在对串行数据传输速度要求不断增加的今天 显得尤为重要。 1 2 时钟数据恢复电路的发展状况 目前，高速的串行数据接口电路的数据率已经达到1 0 g b p s 1 3 1 1 4 1 。更高速的 4 0 g b p s 的时钟数据恢复电路也有报道【l5 1 。数据率的提高，意味着每一数据的持 续时间的降低，1 g b p s 的数据率相当于每一位数据的持续时间只有一个纳秒( n s ) ， 这对电路的性能以及对时钟抖动的优化提出了更高的要求。 时钟恢复电路的结构主要是基于锁相环的结构，采用锁相环结构的时钟数据 恢复电路具有很好的抑制噪声的能力，代价是锁定的时间会比较长，开环结构的 时钟恢复电路具有很短的锁定时间，但是由于对时钟相位的分割不能无限的多， 输出的相位只能是确定的值，这会引入“量化误差”。 目前的时钟恢复电路主要针对的是2 5 g b p s 以上的串行信号，在长距离通信 中，由于数据的位宽时间很短，码间干扰显著，抖动相对可观，电路主要以锁相 环结构为主；而在许多短距离接口电路中，要求锁定时间短，抖动容忍范围宽， 开环结构依然有广泛的应用。 北京工业大学工学硕士学位论文 随着通信系统信息传输速度的不断提高，如何采用标准c m o s 工艺技术， 在提高数据传输速率的同时维持低的误码率，设计出新结构、高性能的时钟数据 恢复电路越来越成为一个挑战。同时，不论是闭环结构还是开环结构的时钟恢复 电路，锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，p l l ) 电路或者延迟锁相环( d e l a yl o c k e dl o o p ， d l l ) 都是必不可少的组成部分，实现高速低误码率的时钟数据恢复电路，很大 程度上取决于锁相环的低噪声低抖动性能。因此，设计实现高速低抖动的锁相环 或者延迟锁相环也是设计实现高性能的时钟数据恢复电路的另一个挑战。 当前国外学术机构对时钟数据恢复电路的研究主要集中于针对光纤通信和 万兆以太网应用，数据率都在1 0 g b p s 以上，基本上采用的是锁相环结构。针对 短距离串行数据通信应用，如应用于u s b 2 0 规范接口的时钟数据恢复电路，工 业界采用的解决方案基本上是多路时钟过采样技术( c l o c ko w r s a m p l i n g ) 【l6 1 。 不论采用何种结构电路实现，针对经过信道恶劣衰减的输入信号的特性，时钟恢 复电路必须具有一定的容忍能力。同时时钟恢复电路必须抑制噪声和干扰，产生 稳定周期的时钟信号。由此可见，如何实现高速时钟数据恢复电路的输入容忍性 和输出的稳定性，同时考虑实现低电压和低功耗设计，降低高密度数模混合电路 集成中的噪声串扰，板级电磁兼容( e m c ) 和邻近信道干扰( a c i ) ，克服工艺、 电压和温度变化的影响，将是时钟数据恢复电路今后继续研究发展的热点。 1 3u s b 技术的发展 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 是一种应用在计算机领域 的新型接口技术，最早是由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司与1 9 9 4 年1 1 月共同提出的，其目的是使用u s b 来取代p c 机现有的各种外围接口，使外设 的连接具有单一化、即插即用、热插拔等特点。它的出现大大简化了p c 机和外 设的连接过程，使p c 机接口的扩展变得更加容易。可以说，u s b 是计算机外设 连接技术的重大变革。 2 0 0 0 年4 月，u s b2 0 标准发布，增加更高的数据传输速率为4 8 0 m b p s ( h i g h s p e e d ) 。2 0 0 6 年1 2 月，u s b 直连( u s bo n t h e g o ，u s bo t g ) 技术发布， u s b 直连技术允许两个u s b 设备不经独立u s b 主机端直接相互通讯，极大地拓 展了u s b 接口的使用范围。u s b2 0 的高速4 8 0 m b p s 带宽，也使u s b 在存储和 多媒体等方面有着广泛的应用。 2 0 0 7 年9 月1 8 日，p a tg e l s i n g e r 在英特尔信息技术峰会上演示了u s b3 0 ， ( 又称为s u p e rs p e e du s b ) 。u s b3 0 标准由i n t e l 和m 、n e c 、n x p 、微软以 及德州仪器共同开发，u s b3 0 的目标是提供1 0 倍于4 8 0 m b p s 的带宽，利用新 4 第1 章绪论 增的两对高速线路开启的“s u p e rs p e e d ”模式，可以达到约5g b i 讥，并且可能 使用光纤连接。 u s b3 0 的技术规范于2 0 0 8 年8 月1 3 日发行，其商业产品预计于2 0 0 9 年 或2 0 1 0 年发行。u s b3 0 新增了5 个触点，两条为数据输出，两条数据输入， 采用发送列表区段来进行数据发包，新的触点将会并排在目前4 个触点的后方。 u s b3 0 暂定的供电标准为9 0 0 m a ，将支持光纤传输。可以说，u s b3 0 的时代 刚刚拉开帷幕。 1 4 课题主要研究内容 在高速串行数据通信系统中，时钟数据恢复技术电路是最为关键的模块。在 时钟数据恢复技术中，时间抖动和锁定时间是最为关键的技术指标，抖动直接影 响串行通信系统的误码率，恶化系统的信噪比：而锁定时间也是许多系统需要特 别关注的关键指标。时间抖动的大小和时钟数据锁定的快慢又存在着不可调和的 矛盾，减小时间抖动往往意味着时钟数据锁定时间的增加。本课题将基于u s b2 0 系统，设计并实现符合u s b2 0 规范的时钟数据恢复电路。 本文主要研究的是基于t s m c0 1 81 a m1 p 6 mc m o s 逻辑工艺的时钟数据恢 复电路的设计及验证。设计目标是实现符合u s b2 0 规范的时钟数据恢复电路。 研究重点是降低时钟数据恢复电路的时间抖动，并实现时钟数据信号的快速锁定。 研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 分析时钟数据恢复电路的各种结构，比较各种结构的优缺点，并研究各 结构的应用范围； ( 2 ) 根据u s b2 0 的规范要求，设计符合u s b2 。0 系统指标的时钟数据恢复 电路的结构； ( 3 ) 运用控制系统的理论，分析时钟数据恢复电路和锁相环电路的工作原理， 得出时钟数据恢复电路和锁相环电路的数学模型和传输函数； ( 4 ) 利用v e r i l o g a _ m s 行为级描述语言对时钟数据恢复电路和锁相环电路进 行行为级仿真和验证； ( 5 ) 研究时钟数据恢复电路各部分相位噪声的产生机理，从而找到减小相位 噪声的方法； ( 6 ) 通过电路设计，仿真，版图设计和物理验证，实现时钟数据恢复电路， 并验证其整体功能。 北京丁、i k 大学工学硕士学位论文 1 5 论文结构 本文共分为五章。第1 章为绪论。第2 章首先介绍了时钟数据恢复面临的基 本问题和具体衡量其性能的指标定义，并进一步阐述了时钟数据恢复技术的具体 结构和一些基本模块电路的实现。第3 章介绍了时钟数据恢复电路的系统设计， 包括线性系统的建模，v c r i l o g a m s 行为级建模仿真，从系统上得到时钟数据恢 复电路的环路特性。第4 章主要是在系统级设计的基础上，设计了具体的晶体管 级电路和进行了仿真、优化，最终得到完全符合系统指标的时钟数据恢复电路。 第5 章介绍了时钟数据恢复电路的版图设计，并阐述了深亚微米工艺下版图设计 的非理想因素和相应的解决办法。 第2 章时钟数据恢复技术概述 第2 章时钟数据恢复技术概述 2 1 时钟数据恢复基本问题 基带信号的传输经历了一个数据率提升的发展过程，而在传输数据率变化的 背后是结构的新陈迭代。从并行到串行，从同步方式到异步方式，结构的改变引 起性能的一次次飞跃，现今的数据链路中，串行异步方式几乎占据了统治地位。 图2 - 1 显示了一个基本的基带信号收发系统的链路。基带数据链路主要包括发送 器( t r a n s m i t t e r ) ，介质( m e d i a ) 和接收器( r e c e i v e r ) 。图2 1 中t p l ，t p 2 ， t p 3 和t p 4 是表示相对位置的参考点。对于收发系统的性能指标往往参照这些位 置来确定。 i t r a 燃n s m 端i t t e ， 藤麟粼黝臻爨蹶黼獬糍瓣2 l 霎雅麟豺鞣鞘孺搿麟翱粥鳓趴 “f 一、翟h 掇m t 捌黼描篇瞄舯= 剁瓢遐二；穗嬲黪谚! # 矿x 孤黝捌懿口u 介质 j ，j ： lp 1lp 2 t p 3t p 4 图2 - 1 基带数据通信链路中的位置定义 f i g u r e2 - ip o s i t i o nd e f i n i t i o ni nb a s e b a n dd a t ac o m m u n i c a t i o nc h a i n 数据的传输从路径上主要经过了发送器，介质和接收器三大模块。输入信号 的特性由这三个模块所决定，信号的原始特性如频谱和摆幅等参数由发送器决定， 传输过程中的衰减和恶化受到介质特性的影响，而最终重新恢复到数字电平的误 码特性由接收器决定。 发送器发出的信号经过介质到达接收器时，必然受到介质以及环境的影响。 特别是对于高速信号，这种影响取决于介质的几何尺寸以及周边环境中的干扰。 信号到达接收端时不可能是理想的数字信号，信号的电平由于传输介质的低通特 性可能不是满幅的数字电平，同时信号的跳变沿由于噪声和干扰可能存在严重的 抖动。因此，在接收端必须采用时钟数据恢复技术提取出数据的同步时钟信号， 对数据信号进行“重新定时”来减小抖动并恢复数字电平。 2 1 1 传输介质非理想因素 传输介质的特性对数据通信有着显著的影响，针对不同频谱特征的信号，必 须选择相应特性的传输介质。随着信号频率的增加，介质表现出来的特性也会不 同。在低频段，介质表现出基本的集总特性，即电阻和电容。在中频段，介质的 7 北京丁业大学t 学硕士学位论文 分布r c 特性开始变得显著。而在高频段，以趋肤效应为代表的电磁互感效应开 始明显。在更高的频段上，介电物质波导色散引起的损耗将变得十分明显【1 7 1 。 2 1 1 1 寄生r l c 和分布r l c 效应 由于介质存在着寄生的电容、电感和电阻，在高频条件下，介质的交流电气 特性将会发生显著的变化。在不同的信号频率下，介质寄生的电阻、电容、电感 效应将产生明显的作用。由此可以将介质等效为简单的r l c 网络，图2 - 2 显示 了传输线的r l c 等效模型。 a 鬣霪至翟鍪濯鋈瑟霪卜c bd 广 a 秸荨一c a m 肛一( 1 l c rc ；l b 州 厂l 1 丽l d 图2 - 2 传输线的r l c 等效模型 f i g u r c2 - 2t h er l c m o d e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e 如图2 - 2 所示，传输介质在特定频率国下的阻抗k 和导纳x ，分别为： 置= 击= 去 丘= c o l = 2 刀 f l ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中国为信号的角频率，c 为传输线间的电容，l 为传输线的电感。 在不同的信号频率下，传输线表现出不同的频率响应。 当数据率更高时，对应基带信号频率为5 0 0 m h z ，该信号在真空中的波长为 九= c 7 r = 3 0 x 1 0 8 5 0 0 x 1 0 6 = 0 6 m ，实际电信号在介质中的波长小于真空中的波 长，约为o 6 凡= o 3 6 m ，因此信号波长己经减小到与介质的几何尺度可以比拟的 量级。此时，信号在介质中的电压和电流不再是保持空间不变，而是沿着介质连 续的分布。以高频的正弦信号为例，当它输入到介质中时，介质中各点的电位分 布将随着介质位置而改变。图2 3 显示了高频正弦电压信号在传输线中的不均匀 分布。基尔霍夫电压和电流定律对这样非一致分布的信号不再适用，必须采用分 布参数的电路模型。在这个模型中，传输线被分割成较小的片断，每个片断内的 电压电流近似均匀分布【1 8 1 。图2 - 4 显示了传输线的分布参数示意图。 8 第2 章时钟数据恢复技术概述 v i n 攀 介质 a 芦翟三三三乏三年b a 盛三窆= 墨盈翟墨翌丑卜c a 电- 王：。池 一出- 二= i 出龇地l ：龇。盏础：盆k 篮凼；毒龇幽一g b 鏖互譬互警皇= 蛊譬互卜d 卜w 卅u ( ) l 2 1 1 2 趋肤效应 在更高的数据率传输下，电流会由于趋肤效应( s k i ne f f e c t ) 在导体内部的 分布出现不均匀。随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递 减，即导体内的电流会集中在导体的表面。从与电流方向垂直的横切面来看，导 体的中心部分电流强度基本为零，即几乎没有电流流过，只在导体边缘的部分会 有电流。产生这种效应的原因主要是变化的电磁场在导体内部产生了涡旋电场， 与原来的电流相抵消。图2 5 为导线趋肤效应的示意图。左图为没有趋肤效应时 导线的横截面示意图，右图为产生趋肤效应的导线横截面。可以看出电子都聚集 在导线表面，由于通过电流的导体截面积被减小了很多，这种效应在高频下大大 降低了导体的导电特性【l 引。 对于圆柱形导体，其横截面电流密度分布从表面向中心衰减。技术上定义趋 肤厚度的表达式为： 9 北京工业大学工学硕士学位论文 8 = q r f t t o 。o , , a ) 叫2 ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中表示导线的绝对磁导率，u = g o 辟。趋肤厚度表明电流密度下降到 直流值的l g 时的点距离导体表面的距离。此外，当导体表面的平整度不好时， 趋肤效应会产生更加显著的效果，使得导体的电阻增大。这是因为趋肤效应使得 电流沿着不平整或不光滑的表面传输时，经过的距离增加了很多，等效为电阻也 增加了很多【1 9 】。 圈电子口导线 外肤 外肤 导线( 蝴)导线( 横锣哂) 图2 5 趋肤效应原理示意图 f i g u r e2 - 5s k e t c hm a po fs k i ne f f e c t 趋肤效应改变了电流的分布特性，从而改变了传输介质的阻抗特性。 2 1 2 接收端的非理想因素 对于高速串行数据通信，除了传输介质的各种非理想因素必须考虑之外，接 收端同样存在着许多非理想因素。对接收端的时钟恢复电路来说，最主要的非理 想因素有两个来源。第一类是信号在信道中传递时受到的外界干扰，必须通过采 取屏蔽措施予以消除。第二类是由信道和线路码的非理想特性引起的，如发送端 固有的噪声，码间干扰，基线漂移等等。这些问题都必须通过选择合适的编码方 式控制在一定范围之内。 2 1 - 2 1 发送端固有噪声 任何集成电路处理的信号都会受两种不同类型的噪声损坏( c o r r u p t ) 器件 电子噪声和“环境”噪声。器件的电子噪声主要有电阻和晶体管的热噪声，闪烁 噪声等；“环境”噪声是指电路所受到的电源或地线、或者衬底的随机干扰【2 0 1 。 对接收端来说，发送端的噪声特性是给定的。这些噪声主要来自发送的锁相 环和多路器。克服此类噪声的主要方法是同时优化发送和接收电路。 1 0 第2 章时钟数据恢复技术概述 2 1 - 2 2 码间干扰 码间干扰是由信道的有限带宽引起的。信号在介质或信道传输的过程中，由 于介质的低通效应，其高频分量被衰减得比较多，信号频谱变窄。相应的，数据 的跳变沿变缓并延伸到相邻的数据位置，导致相互干扰。码间干扰使得信号的有 效宽度减小。这将导致数据判决错误，使误码率上升。特别的，长连0 或长连1 之后的1 位码元甚至可能被干扰淹没。图2 - 6 显示了串行数据通信中的码间干扰。 数据 信号判决电路i 蓉霉厂 厂 n 几厂 接收到的 数据信号 婆婆霍譬厂 厂 厂一 图2 - 6 串行数据通信中的码间干扰 f i g u r e2 - 6i n t e r - s y m b o l i ci i l t e r f 色r e n c ei ns e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n 通常，为了克服码间干扰，必须控制长连0 或者长连1 的个数，还可以在发 送端加入预加重( p r e c m p h a s i s ) ，或在接收端加入均衡器( e q u a l i z e r ) 电路2 1 1 。 2 1 2 3 基线漂移 良好的编码各个码的直流值应该相同。对直流不平衡的编码来说，交流耦合 会带来所谓的基线漂移( b a s e l i n ew a n d e r ) f 司题。在接收端，这会造成工作点的漂 移。基线漂移会严重影响接收端判决器的工作，产生误码。对直流不平衡的编码， 长连0 或l 的个数过大，会加重基线漂移。图2 7 为基线漂移的示意图。 数据信号厂 厂 门n 厂 接收到的 数据信号 基线漂移 图2 - 7 串行数据通信中的基线漂移 f i g u r e2 - 7b a s e l i n ew a n d e ri ns e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o n l l i ；至三些銮茎三茎璧圭茎篓姜圣 2 2 时钟数据恢复的性能衡量 在高速串行数据传输时，信号从发进端到达接收端时，由于衰减以及外界噪 声的串扰，信号的特性将会恶化，幅度被衰减，而跳变沿出现的时刻相对其本身 的周期而言也变得不确定。为了衡量这些特性，一些分析方法和参数被引入用来 定量或定性分析。 22 1 眼图 评价基带传输系统性能的一种定性而方便的方法是观察接收端的基带信号 波形。如果将接收波形输入示波器的垂直放大器，把产生水平扫描的锯齿波周期 与码元定时同步，则在示波器屏幕上可以观察到类似人眼的图案，称之为“眼图” ( e y e d m g f 蛐) 川。在二元码时，一个码元周期内只能观察到一只“服睛”，三 元码是可以看见两只“眼睛”，对于吖元码则有( m - i ) 只“眼睛”。串行传输的 数据信号有其最小的持续周期，也就是数据的单位时间u i ( u n i ti n t e r v a l ) ，等于 数据率的倒数。用单位时问将数据切片，并叠加在一起，可以得到数据眼图。借 助数据眼图，可以很方便的判断时序和幅度畸变的影响。图2 - 8 显示了一个眼圈 的示例。 詈= c = 鼍$ 阂 熬茹器繇 需 阳目t ，n e x r n p b q e a 娜d m 嘴r o p 邮p o t n d 怕= b 甜船5 0 i - t o - 眦船 图2 8 眼圈示例 f i g u m2 - 8 a n 锄p l eo f c y c m 8 f 蛐 图2 - 8 中的眼图提供了信号幅度和时间上的关键信息。图中，信号叠加构成 了一个封闭的区f 司( e y em a s k ) ，也就是数据眼。数据眼在时间轴上的分布区间是 允许对数据采样的区间，数据边沿的不确定区域越小数据眼就越宽。上下张开 i ：! ! ! ! i ! ：些 程度反应出数据的信噪比特性，张开程度最大的点是对数据的最佳采样点。 222 抖动 抖动( j i t t e r ) 是数字信号的实际跳变沿与其理想位置之间的偏差，在眼图上 表现为信号跳变沿的不确定区域。抖动对于数字系统来说是一个重要的问题，因 为它会影响数据的建立时间和保持时间，进而影响数字系统的功能。图2 - 9 显示 了一个被过大的抖动破坏的眼图示例口“。 图2 - 9 抖动破坏眼图的示例 f i 9 1 a r c 2 - 9 a nc y c d “g r a m t h a t i s k “g m c d b y j i t t e r 一般采用统计过零点的方法统计信号的抖动。抖动包含随机抖动( r a d o m j i t t e r ，r j ) 与确定性抖动( d c t c r m i n l a t i cj i t t e r ，d j ) 。从统计结果上看，随机抖 动具有高斯分布特性，可以通过数据统计结果中的平均值和方差进行描述。而确 定性抖动都是有界的，可以通过统计峰峰值描述。实际两者是同时出现在结果中 的。 在验证电路功能时需要区分随机抖动与确定性抖动。由于随机分布( r j ) 是 无界的，统计数据的两侧的拖尾分布应该是随机抖动引起的。由此可以通过对数 据拟合的方法得到随机抖动的均值和方差。而确定性抖动( d j ) 是有界的，其 中的分量等于随机抖动的各个均值。 根据时钟数据恢复电路的特性，随机抖动( r 2 ) 源自各种随机过程，如晶体 管的热噪声和散粒噪声；确定性抖动( d j ) 包括占空比失真( d u t y c y c l e d i s t o r t i o n ， d c d ) 、码间干扰( i n t e r - s y m b o li n t * r f e r * n c e i s i ) 、周期抖动( p m i o d i ol “t * r ， p j ) 、与数据相关的抖动( d a t a d = p c n d a n tj i t t e r ，d d j ) 和串扰等。占空比失真源 自时钟周期中的不对称性：码间干扰( 1 s i ) 源自由于数据相关效应和色散导致 的边沿响应变化；周期抖动( p j ) 源自周期来源的电磁干扰，如电源馈通等；而 串扰是由其他信号千扰所导致删。 1 3 北京i 业大学i 学硕 论文 确定性抖动( d j ) 的特点是，其峰峰值具有上下限。占空比失真( d c d ) 和码间干扰( i s i ) 称为相关有界抖动；周期抖动( p j ) 和串扰称为不相关有界 抖动；随机抖动( r j ) 称为不相关无界抖动。随机抖动( r j ) 假设遵守高斯分 布，由于高斯分布的尾部扩展到无穷大，随机抖动( r j ) 的峰至4 峰值没有边界， 而r j 的均方根则收敛到高斯分布的宽度上。 总抖动( t o t a lj i t t e r ，t j ) 为所有独立的抖动源随机抖动( r j ) 和确定性抖 动( d j ) 的概率密度函数的卷积分。图2 - 1 0 显示了确定性抖动( d j ) 和随机抖 动( r j ) 组合成总抖动( t j ) 的分布。 r d o mj 1 n e r d i s t r i b u t i o n 图2 - 1 0 确定性抖动( d j ) 和随机抖动( r j ) 组合 f i g u n 2 - 1 0 t h ec 叫p kj i 断d i s t r i b * a t i o n o f d c t 口m m _ 如j m “蛐d 瑚d 咄j i t t n 抖动的产生是指在输入随机数据没有抖动的情况下时钟数据恢复电路自身 所导致的抖动。产生抖动的原因有多种，包括：压控振荡器( v o t t 8 9 cc o n t r o l l c d 幽o m a t o r ，v c o ) 的相位噪声、控制电压的波动、电源的耦合噪声以及村底噪声 等等。 2 2 3 误码率 高速串行通信链路的接收方需要将模拟信号转换成数字信号，园此不可避免 会存在传输错误。为了表征串行传输链路的可靠性，就需要使用误码率( b i t e r r o r r a t i o ，b e r ) 的概念。误码率即为错误比特与收到的总比特之间的比率。是一 个统计量，可用于表征由于比特错误导致的数据重传的概率。 误码的出现是由于发送的信号存在噪声、信号在信遒中传输过程中引入的噪 声以及接收电路的噪声。为了减少由于噪声导致的误码率，接收器希望能在数据 的电压和时序裕量尽可能大的点进行采样。在数据完全对称的情况下，数据的电 茎；茎呈茎圣茎墨茎圣童篓茎 压和时序裕量最大的点位于每一个传输数据的中心。图2 - 1 1 显示了最佳采样点 的位置。 圈2 - 1 1 最佳采弹点 f i g u m2 - 1 1t h e b e s ts 姗p l e p o i n t 影响误码率的因素很多，包括时钟和数据的相位抖动，时钟和数据的幅度抖 动，判决器的判决误差等等。当采样时钟的边沿超出数据的单位宽度时就一定 会出现误码。一般认为采样时钟边沿超出数据单位宽度的概率服从均值为0 ，方 差的正态分布( 为测量到的时钟抖动) 。采用余误差函数，误码率只可以 写成式( 2 4 ) ： 只= ；e p c c - 正a ) = ；忌e 。女( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) e e d 为二分之一数据宽度与抖动o - 之比，血为补余误差函数，其表达 式为： 咖o ) = 车f 4 p 。2 d t( 2 5 ) 2 3 时钟数据恢复电路基本结构 为了克服传输介质和接收端的非理想因素，在高速数据传输时，必须利用时 钟数据恢复电路从接收数据中恢复出同步时钟进行重新采样，得到重新建立的数 据信号。图2 1 2 显示了时钟数据恢复电路的作用。 北京工业大学工学硕士学位论文 d e c i s i o n c i r c u i t 图2 - 1 2 时钟恢复电路重新建立数据信号 f i g u r e2 - 1 2c l o c k d a t ar e c o v e r yc i r c u i tr c t i m i n g d a t a 如图2 1 2 所示，时钟恢复电路位于信号输入端，输入信号进入时钟恢复电 路后提取出最佳的采样时钟，然后再用来同步输入的数据。时钟数据恢复电路本 质是一种自适应的电路，在原理上可以应用反馈或者直接前馈实现。 2 3 1 锁相环结构 锁相环结构的时钟数据恢复技术就是采用反馈( c l o s el o o pf e e d b a c k ) 的原 理，利用反馈调整时钟的相位，使之达到最佳的采样时刻，实现时钟数据恢复。 图2 1 3 显示了一般锁相环结构时钟数据恢复电路的结构。 d a t a 鉴相器 p h a s e d e t e c t o r 电荷泵 c h a r g ep u m p 环路滤波器 l o o pf i l t e r 压控振荡器 v o l t a g e c o n t m l l e d o s c i l l a t o r 。鬻，r e t i m e dd atad f l