張 帥，許圣全，于建旺，李正昊，邱益波，鄭 燕

（華東計算技術研究所，上?！?00233）

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一種用于以太網收發(fā)器的基帶漂移消除器的設計

張 帥，許圣全，于建旺，李正昊，邱益波，鄭 燕

（華東計算技術研究所，上海200233）

摘 要：根據0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工藝提出了一種用于以太網收發(fā)器的基帶漂移消除器的結構設計，該結構由電荷泵電路、OTA、電流補償電路3部分組成?；鶐葡餮a償了由于變壓器的高通特性引起的基帶漂移現象。仿真結果表明所設計的電路達到了以太網收發(fā)器的系統(tǒng)要求，很好地實現了對基帶漂移的補償。

關鍵詞：基帶漂移；以太網收發(fā)器；高通特性

1　引言

基帶漂移消除器（baseline wander canceller）是100/1000 Base-TX以太網收發(fā)器的關鍵模塊之一。為了充分利用頻譜，減少某一頻譜被干擾則整個信號受到干擾的可能，要把發(fā)射頻譜平均分布到某一特定頻率范圍。使用發(fā)射數據隨機化的擾碼（Scramble）可以達到這一目的。然而，經過擾碼后的數據仍然會出現輸出長時間的0或者1。例如，在千兆以太網中，采用的是PAM-5編碼方式，經過擾碼的信號經過PAM-5編碼，通過一個電磁模塊（網絡變壓器）耦合到5類非屏蔽雙絞線（Category 5 UTP）。這樣，在千兆以太網的接收端，要面對經過雙絞線衰減之后來自變壓器的PAM-5編碼信號[1]。由于變壓器的高頻交流通過特性，在它的截止頻率50 kHz以下的能量將丟失。如果連續(xù)出現幾個最長時間無數據狀態(tài)，傳輸的數據將由于通過變壓器，損失非?？捎^的低頻能量[2]。

如圖1所示，長時間的“-1”信號將導致收發(fā)器接收的電壓逐漸收斂于其共模電壓，在最差情況下，電壓差分值將消失，收發(fā)器將不能正確分辨出“-1”、“0”或者“+1”信號。而且，當后面接收的數據突然變化時，接收端會發(fā)生幅值突變，跳出允許的正常電平范圍。這種幅值突變將導致均衡器不能正確均衡處理，產生誤碼。這就是基帶漂移（Baseline Wander）。因此以太網收發(fā)器接收電路必須對基帶漂移進行補償。

圖1　基帶漂移效應

本文根據0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工藝設計了一種用于以太網收發(fā)器的基帶漂移消除器。與傳統(tǒng)的基帶漂移消除器相比較，結構更簡單，基帶漂移補償能力強，補償范圍大，補償運算準確。

2　電路設計

基帶漂移消除器共由3部分組成：電荷泵電路、運算跨導放大器電路(OTA)、電流補償電路。

圖2　基帶漂移消除器結構圖

圖2中，在開關S1、S2的控制下，電荷泵不斷充放電，輸出電壓Vctrl，OTA將接收到的差分電壓（Vref，Vctrl）轉化為差分輸出電流（IINP，IINN），IINP、IINN分別流過電流補償電路的反饋電阻R2、R4，電阻R2、R4由電流IINP、IINN產生的壓降即為基帶漂移的補償電壓，此補償電壓與比例運算后的輸入差分電壓疊加，最終實現對基帶漂移的補償。Vref設置為1.25 V。

2.1電荷泵電路

圖3 中，當對電荷泵充電時，控制信號up、down為低電平，M3導通，M4關斷，共源共柵電流源M1、M2以電流I1對電容C1進行充電，電壓Vctrl逐漸升高；當對電荷泵放電時，up、down為高電平，M4導通，M3關斷，共源共柵電流漏M7、M8以電流I2對電容C1進行放電，I1=I2，電壓Vctrl逐漸降低。因為節(jié)點電容Cps和Cns的存在，電容上的電荷能在MOS管關斷的瞬間保持不變[3]。當控制信號由充電突然切換到放電時，M4立即導通，C1和Cns將分享電荷，如果Cns電壓很低，電壓Vctrl將發(fā)生劇烈的抖動，這種現象即電荷分享效應。類似的，當控制信號由放電突然切換到充電時，C1和Cps也存在電荷分享效應。為了解決電荷分享效應對電壓Vctrl的影響，電荷泵中增加了鏡像開關M5、M6，鏡像電容C2和電壓跟隨器A3。當控制信號由充電突然切換到放電時，Cns電壓為V’ctrl，由于A3的存在，Vctrl=V’ctrl，因而有效地緩解了電荷分享效應對Vctrl的影響。控制信號可以用函數Sign(t)表示，電荷泵充電時，Sign(t)=1；電荷泵放電時，Sign(t)=-1；電荷泵禁能時，Sign(t)=0 。初始時刻的V’ctrl用V0表示，可設置為1.25 V，則t時刻的Vctrl為：

圖3　電荷泵電路

圖4　電荷泵電路的仿真波形

電荷泵電路的仿真波形如圖4所示，當控制信號up、down為高電平時，電荷泵放電，電壓Vctrl和電壓V’ctrl逐漸降低。

圖5　OTA電路

2.2OTA電路

圖5中，此OTA電路為全差分共源共柵OTA，除輸入和輸出節(jié)點外，該放大器的其余所有節(jié)點都是低阻節(jié)點，OTA的跨導由差分輸入放大級的跨導決定[4]。OTA的輸入差分電壓為Vin+、Vin-，其中，M3、M4的跨導gm3=gm4=gm，同相端輸出電流：

反相端輸出電流：

OTA電路的仿真波形如圖6所示，波形Ioup對應電流Iout+，波形Ioun對應電流Iout-。圖6中，差分輸出電流Iout+、Iout-與Vref-Vctrl呈線性比例關系，與式（2）、式（3）一致。

2.3電流補償電路

圖7中，IINP=Iout+，IINN=Iout-。電流補償電路包含了一個比例運算電路，其中，R1=R3=10 kΩ，R2=R4=5 kΩ，比例運算因子為二分之一。來自于雙絞線的輸入信號被衰減了二分之一，以確保信號的幅值不會超出后級均衡器的輸入范圍[5]。同時，電流IINP、IINN在電阻R2、R4上產生基帶漂移補償電壓，該補償電壓與衰減二分之一后的輸入信號疊加，得到輸出信號VOUTP、VOUTN。即：

圖6　OTA電路的仿真波形

圖7　電流補償電路

代入式（1）、（2）有：

從式（8）可知，影響基帶漂移補償電壓的因素很多，包括OTA的跨導gm、電荷泵控制信號函數Sign(t)，電荷泵充放電電流I1、I2，電荷泵電容C1和電流補償電路反饋電阻R2、R4等。

圖8　電流補償電路的仿真波形

電流補償電路的仿真波形如圖8所示。在補償電流IINP、IINN作用下，輸出信號VOUTP、VOUTN上疊加了基帶漂移補償電壓，與式（4）、式（5）一致。

3　仿真結果

本文設計的電路采用0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工藝，仿真工具為Cadence公司的Spectre。電路的工作電壓為2.5 V。

圖9　帶有基帶漂移的輸入信號

圖9為帶有基帶漂移的輸入信號的仿真波形，輸入信號RXDP、RXDN的基帶漂移偏差為+1 V，差分幅值為1 V。圖10為經過基帶漂移補償后輸出信號的仿真波形，輸出信號VOUTP、VOUTN的初始基帶漂移偏差為+0.5 V，在時刻2.5 μs，基帶漂移消除器開始逐漸疊加補償電壓，經過處理3.5 μs之后，輸出信號VOUTP、VOUTN的基帶漂移分量已經完全消除。差分幅值衰減為輸入信號的二分之一，即0.5 V，這樣便于后面的均衡器處理。

圖10　經過基帶漂移補償后的輸出信號

4　結束語

本文提出了一種用于以太網收發(fā)器的基帶漂移消除器的結構設計，該結構由3部分組成：電荷泵電路、運算跨導放大器電路（OTA）和電流補償電路。仿真結果表明，該結構基帶漂移補償能力強，補償范圍大，補償運算準確，結構簡單，達到了以太網收發(fā)器的系統(tǒng)要求，可以很好地實現對基帶漂移的補償。

參考文獻：

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[4] R Jacob Baker, Harry W Li, David E Boyce. CMOS?布局與仿真[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2006. 488-489.

[5] James Everitt, James F Parker. A CMOS Transceiver for 10 Mb/s and 100 Mb/s Ethernet[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1998, 33(12): 2169-2177.

張 帥（1983—），遼寧葫蘆島市人，碩士學歷，華東計算技術研究所自主可控計算研究院工程師，主要研究方向為數?；旌闲盘柤呻娐吩O計。

Design of a Baseline Wander Canceller for Ethernet Transceiver

ZHANG Shuai, XU Shengquan, YU Jianwang, LI Zhenghao, QIU Yibo, ZHENG Yan
（East-China Institute of Computer Technology, shanghai 200233, China）

Abstract:The thesis presents a design of a baseline wander canceller for Ethernet Transceiver, which is implemented by 0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS process.The circuit is composed of a charge pump,an OTA (Operational transconductance amplifier) and a current compensation circuit.The baseline wander canceller can correct the effects of baseline wander due to the high-pass nature of the transformer.The simulation results indicate that the design can satisfy the system requirement of the Ethernet Transceiver and compensate baseline wander very well.

Keywords:baseline wander; ethernet transceiver; high-pass nature

作者簡介：

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TN402

文獻標識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）02-0023-05