一種Inverter-Based CTLE以解決傳統(tǒng)CTLE的不足

傳統(tǒng)CML結構的CTLE基于源極退化電阻電容實現均衡，當速度提高到56Gb/s或者112Gb/s時CML-based CTLE面臨速度、面積、功耗的巨大壓力（即使到了7nm工藝節(jié)點），本期介紹一種Inverter-Based CTLE以解決傳統(tǒng)CTLE的不足。

1 從ISSCC2020看SerDes****未來

ISSCC2020 SESSION 6第一篇文章 ，是FPGA老大哥Xilinx發(fā)表的。圖1給出了近三年（2018-2020）學術界或工業(yè)界發(fā)表的100Gb/s以上SerDes結構，我們可以得到以下結論：

① CDR采用PI-based雙環(huán)路結構成為主流，雙環(huán)路結構的優(yōu)點是PLL環(huán)路（PI時鐘）和CDR環(huán)路可以相互獨立，同時多條Lane可共用同一時鐘源，節(jié)約了功耗和面積；

② RX的DFE均衡變成了ADC+DSP結構，將復雜的均衡放到數字域去處理，減小PVT影響，同時便于工藝遷移；

③ 更多TX Driver采用CML結構（相對SST），因為CML結構在速度上具有優(yōu)勢；

④ 高速SerDes（56Gb/s+）具有超高的技術壁壘，玩家基本都是國外巨頭，國內任重道遠。

Fig1. 近三年100+ Gb/s SerDes結構

2 Inverter-BasedAFE結構

圖2給出了112Gb/s RX sub-system，圖中陰影部分的數據和時鐘通路采用CMOS實現。那么CTLE和PGA如何用CMOS實現？本文為了提高速度提出了Inverter-Based CTLE和PGA 。

Fig2. RX sub-system

傳統(tǒng)RC源極退化CTLE在112Gb/s速率下要保證帶寬和線性度變得異常艱難，因為傳統(tǒng)CTLE結構較復雜，電源到地通路堆疊的晶體管或電阻較多而且要在低電源電壓下保證線性度，為了提高CTLE線性度我們只能進一步減小晶體管或電阻數目，減到最后不就變成Inverter了嗎？

圖3給出了112Gb/s RX sub-system中Inverter-Based CTLE結構圖，合理設置輸入輸出管的共模電壓和擺幅可得到線性增益，在負載管柵端（圖中gm,hf和g m,lf ）增加RC低通濾波器可實現peaking，采用有源電感（圖中g mL ）實現帶寬拓展，具體工作原理詳見第3章。

Fig3. Inverter-Based CTLE結構圖

論文提出Inveter-Based CTLE全部采用純CMOS實現（無電阻、電容、偏置、共模反饋），layout非常規(guī)整（Xilinx稱之為“sea of gates”），如圖4所示。單級CTLE面積僅為30 um*15 um，而且性能表現卓越。

Fig4. CTLE layout

3 Inverter-Based CTLE****原理

3.1 不同模式下 Inverter的小信號模型

文獻[2]給出了Inverter工作在不同模式下的小信號模型，如圖5所示，不同模式下的Inverter可以充當跨導、電阻以及有源電感。

Fig5. 不同工作模式下的Inverter及其等效模型

3.2 CTLE實現及仿真結果

將圖5原理應用到圖6所示電路可得其低頻增益為g m1 /g ml ，高頻增益為(g m1 +g m2 )/2g ml ，合理設置三者gm可實現CTLE均衡功能。

Fig6. Inverter-Based CTLE電路及仿真結果

3.3 subtractiveCTLE

文獻[3]在文獻[2]的基礎上做了改進，提出了一種subtractive CTLE，將原來的additive CTLE的MOM飛電容（Flying capacitor）變成對地MOS電容，減小了面積，提高了線性度，但增大了功耗（典型的功耗換性能），如圖7所示。

Fig7. Comparison of (a) additive and (b) subtractive CTLE circuit Inverter-Based

圖8給出了Inverter-based單位增益放大器的大信號分析，為了在PVT下保證放大器的線性度，要求輸入信號擺幅小于±300mV @ V DD =1.2V, V T =400mV。

Fig8. Inverter-based unity-gain stage for large-signal analysis

**4 **思考與討論

① Inverter-Based CTLE變成了偽差分結構，對偶次諧波的抑制減弱，這在工程中是否引入較大的失真？

② 為了保證Inverter-Based CTLE的線性度，都采用了什么技術？

③ FinFET工藝和Bulk工藝下實現Inverter-Based CTLE有何區(qū)別？

④ 如何實現Inverter-Based CTLE高低頻增益可配？