基于65nm工藝的五分頻器設(shè)計方案

USB 3. 0 是通用串行總線（ Universal Serial Bus）的最新規(guī)范， 該規(guī)范由英特爾等大公司發(fā)起， 其最高傳輸速度可達5 Gb/ s，并且兼容USB 2. 0 及以下接口標準。物理層的并串/ 串并轉(zhuǎn)換電路是U SB 3. 0 的重要組成部分， 在發(fā)送端將經(jīng)過8 b/ 10 b 編碼的10 位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)并傳輸?shù)?a target="_blank">驅(qū)動電路， 在接收端將經(jīng)過CDR（ Clock and Data Recovery） 恢復出來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10 位并行數(shù)據(jù)。在并串/ 串并轉(zhuǎn)換過程中，同時存在著時鐘頻率的轉(zhuǎn)換， 若串行數(shù)據(jù)采用時鐘上下沿雙沿輸出，則串行數(shù)據(jù)傳輸頻率降低一半， 并行傳輸時鐘為串行傳輸時鐘的1/ 5， 即五分頻。

本文設(shè)計了基于65 nm 工藝的五分頻器， 產(chǎn)生一個占空比為50%的五分頻信號。對該電路的設(shè)計不以追求高速度為惟一目標，而是在滿足U SB 3. 0 協(xié)議所要求的頻率范圍基礎(chǔ)上， 盡可能的降低功耗。

1 電路原理與結(jié)構(gòu)

采用基于D 觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的五分頻器邏輯框圖如圖1所示。圖1 由3 個D 觸發(fā)器和少量邏輯門構(gòu)成， 采用了同步工作模式， 其原理是由吞脈沖計數(shù)原理產(chǎn)生2 個占空比不同的五分頻信號A 和B， 然后對時鐘信號CLK， A 和B 進行邏輯運算得到占空比為50% 的五分頻信號CLK/ 5， 其計數(shù)過程如表1 所示， 從表1 的計數(shù)過程可知， 分頻后的時鐘CLK/ 5 的周期是輸入時鐘CLK 的5 倍， 由此實現(xiàn)了五分頻并且其占空比為50% 。

圖1 5 分頻電路邏輯結(jié)構(gòu)

表1 5 分頻器計數(shù)過程

2 分頻器基本電路的設(shè)計

觸發(fā)器是整個分頻器中最基本的結(jié)構(gòu)， 只有設(shè)計好一個快速的觸發(fā)器， 才能實現(xiàn)一個高頻率的分頻器，目前用于分頻電路的觸發(fā)器電路主要有3 種。第1 種是CML（ Current Mo de lo gic） 電路， 是由ECL（ EmitterCo uple Logic） 電路演變來的， 相比傳統(tǒng)的靜態(tài)分頻器，由于電路的擺幅較小， 因而電路的工作速度快； 第2 種是TSPC（ True Single Phase Clock） 電路， 采用單相時鐘， 大大減少了電路的元件數(shù)目， 從而提高電路工作速度， 同時這種電路功耗極低； 第3 種是注鎖式（ Injected-Locked） 電路， 由于要使用電感， 因而它的體積過大且工藝難度高， 成本較高， 很少被廣泛采用。本文分別采用CML 電路和TSPC 電路構(gòu)成分頻電路， 并對兩者的速度和功耗等進行比較。

CML 電路構(gòu)成的觸發(fā)器如圖2 所示， 由圖中可以看出， 該觸發(fā)器由2 個CML 結(jié)構(gòu)鎖存器組成， 它們構(gòu)成主從型結(jié)構(gòu)， 每個鎖存器都要經(jīng)過2 個階段： 跟蹤階段和保持階段。當主鎖存器跟蹤輸入信號時， 從鎖存器處于鎖存保持階段， 然后交替。其中N13 ， N14 為尾電流管， 偏置電壓V_bias 使N13 ， N14管工作在飽和狀態(tài)， 充當恒流源的作用。dp 和dn 是由輸入信號d 經(jīng)傳輸門和反相器產(chǎn)生的一對互補差分信號， ck_m 和ck_p 是由輸入時鐘信號clk 經(jīng)傳輸門和反相器產(chǎn)生的一對互補時鐘差分信號。主鎖存器工作狀態(tài)為： 當ck_m 為高電平時， N5 管導通， N6 管關(guān)閉， 此時N1 ， N2 管工作在差分狀態(tài)， 將輸入信號dp， dn 采入。當ck_p 為高電平時，N6 管導通， N5 管關(guān)閉， 此時N3 ， N4 使電路維持在鎖存狀態(tài)， 從鎖存器工作狀態(tài)恰好與主鎖存器工作狀態(tài)相反。設(shè)計中在觸發(fā)器輸出端q， qn 之間加了2 個反相器從而在q， qn 之間形成正反饋， 增強了電路的輸出驅(qū)動能力。工作時， 電路的尾電流應當足夠大， 有利于提高電路工作頻率和輸出信號的擺幅。

TSPC 電路構(gòu)成的觸發(fā)器如圖3 所示， 由圖中可以看出， 該電路由四級反相器構(gòu)成， 上升沿觸發(fā)， 當CK 為低電平， 輸入反相器在節(jié)點X 上采樣反向d 輸入，第2 級反相器處于保持狀態(tài)， 節(jié)點Y 預充電至V dd，第三級反相器處于保持狀態(tài)， 時鐘上升沿來時， 第二級反相器求值， Y 的電平值發(fā)生變化， 時鐘ck 為高電平時，節(jié)點Y 的值傳送到輸出q， 該觸發(fā)器的延時為4 個反相器的傳播延時， 由于電路中元件數(shù)目很少， 而且采用動態(tài)邏輯， 因此功耗極低。

圖2 CML 鎖存器構(gòu)成的主從式觸發(fā)器電路

圖3 TSPC 電路構(gòu)成的觸發(fā)器

3 仿真結(jié)果與分析

采用Cadence 公司的spect re 仿真器對設(shè)計的分頻器分別仿真， 仿真電源電壓為1 V， 結(jié)果表明： 在典型工藝參數(shù)條件下，基于CML 電路結(jié)構(gòu)的五分頻器最大工作頻率是8 GHz， 最小工作頻率是1 kHz， 當工作在8 GHz 時， 功耗為1. 7 mW， 輸出信號占空比為49. 76% ; 基于T SPC 電路結(jié)構(gòu)的五分頻器最大工作頻率是10 GHz， 最小工作頻率是10 MHz， 當工作在10 GH z時， 功耗采用10 ns 內(nèi)的平均功耗， 功耗為0. 2 mW， 輸出信號占空比為49. 92%.由于是單端輸入輸出， 基于T SPC 電路結(jié)構(gòu)的分頻器抗噪聲能力較弱。最高工作頻率下的仿真結(jié)果如圖4， 圖5 所示。

圖4 基于CML 電路結(jié)構(gòu)的五分頻器工作在8 GH z 仿真圖

圖5 基于T SPC 電路結(jié)構(gòu)的五分頻器工作在10 GHz 仿真圖

對于不同頻率的分頻器。通常采用FOM 值來比較其性能， 分頻器的FOM 值定義為：

式中： fmax 是分頻器的最高工作頻率； P 是分頻器在最高工作頻率下的功耗， 表2 為本文設(shè)計的分頻器和其他文獻中介紹的分頻器作對比，所有的分頻器均采用CMOS工藝， 對比表明本文設(shè)計的5 分頻器性能較優(yōu)，在65 nm 工藝下具有明顯的功耗低優(yōu)勢， 尤其是采用TSPC 電路結(jié)構(gòu)的分頻器， 功耗極低。

表2 幾種分頻器性能的總結(jié)對比

4 結(jié)語

本文基于65 nm 工藝分別采用CML 電路結(jié)構(gòu)和TSPC 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計了1 個五分頻器， 采用spectre仿真表明， 采用CML 結(jié)構(gòu)的分頻器最高工作頻率8 GHz，功耗1. 7 mW， 輸出信號占空比49. 76% ; 采用T SPC 電路結(jié)構(gòu)分頻器最高工作頻率10 GHz， 功耗為0. 2 mW，輸出信號占空比49. 91%， 由于采用單端輸入輸出， 所以采用T SPC 結(jié)構(gòu)的分頻器抗噪聲能力較弱。輸出信號占空比為50% 是本文一大特點， 2 種結(jié)構(gòu)的分頻器工作頻率完全覆蓋了USB 3. 0 協(xié)議所要求的頻率范圍，滿足協(xié)議要求。