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        一種應(yīng)用于高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的LVDS信號接收器的設(shè)計

        2018-03-09 20:39:25戈益堅徐靜
        科技視界 2017年35期

        戈益堅+徐靜

        【摘 要】LVDS信號是一種低功耗、高速度的信號傳輸技術(shù),其具備低功耗以及低噪聲的優(yōu)良特性,非常適合作為高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入信號。本文介紹了一款高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的LVDS信號接收器電路,分別介紹了信號接收器的預(yù)放大器、電壓比較器、整形緩沖器電路的設(shè)計,并對系統(tǒng)整體進行了功能性驗證。

        【關(guān)鍵詞】LVDS信號;共模抑制比;差分放大器

        中圖分類號: TN792 文獻標識碼: A 文章編號: 2095-2457(2017)35-0086-002

        An LVDS Signal Receiver Designed for High Precision Digital Analog Converter.

        GE Yi-Jian XU Jing

        (Jiangsu Information Vocational and Technical College,Wuxi Jiangsu 214153,China)

        【Abstract】LVDS signal is a kind of low-power, high-speed signal transmission technology. It has the characteristics of low power consumption and low noise and is very suitable for the input signal of high-precision digital-to-analog converter. This paper introduces a LVDS signal receiver circuit inside a high precision digital-to-analog converter, introduces the design of signal receiver pre-amplifier, voltage comparator, shaping buffer circuit, and the functional verification of the whole system.

        【Key words】LVDS signal;Common mode rejection ratio;Differential amplifier

        1 LVDS信號

        傳統(tǒng)的高速數(shù)字采集系統(tǒng)的信號一般采用LVTTL信號,LVTTL信號在傳輸過程中存在信號傳輸速度慢、誤碼率高、抗串擾能力弱、功耗較高等缺陷,為了克服這一系列的缺陷,研究人員開始研發(fā)新一代的低電壓差分信號傳輸標準,LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)信號標準應(yīng)運而生。LVDS信號標準是由美國國家半導體公司(National Semiconductor)提出的一種低功耗、高速度的信號傳輸技術(shù),LVDS信號一般采用1.2V的偏置電壓作為基準,提供較低的電壓擺幅(一般為350mV)以及較低的低的驅(qū)動電流(一般為3.5mA),在一對線路上傳輸差分信號,其最高傳輸速率可達3.1Gbps,同時由于其低電壓擺幅以及低驅(qū)動電流的特性,使其具備低功耗以及低噪聲的特性。由于LVDS信號具備以上的優(yōu)點,所以非常適合作為高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號標準。

        2 LVDS信號接收器電路設(shè)計

        LVDS低壓差分信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部集成的LVDS信號接收器處理后轉(zhuǎn)換為CMOS數(shù)字信號,供后續(xù)電路模塊進行處理。LVDS信號接收器電路由預(yù)放大器、電壓比較器、整形緩沖器三個模塊構(gòu)成,基于CSMC 0.18um CMOS工藝所設(shè)計的LVDS信號接收器電路如圖1所示。

        LVDS輸入信號首先加在由P1、P3、P3、M1、M2、M3、M4這七個MOS管所構(gòu)成的與放大器電路的輸入端DATA_P、DATA_N兩端,該運算大器電路采用的是一種Lee負載的差分放大電路結(jié)構(gòu),其中P1為一個PMOS電流源,當柵極電壓V_BIAS為0時,可以為差分放大器提供1mA的輸出電流。M1、M2、M3、M4這4個NMOS管構(gòu)成了一個LEE負載結(jié)構(gòu),這4個MOS管負載均采用二極管接法,二極管接法的MOS管的小信號等效電阻阻值為

        req=■(2)

        根據(jù)以上模型,當輸入信號為差模小信號時,得到LVDS接口電路預(yù)放大器電路的差模小信號等效電路模型如圖4所示。

        圖2中,vid/2為輸入差模小信號,gmP2為P2管的跨導,roP2為P2管的小信號等效內(nèi)阻,gmM1、gmM2分別為M1、M2管的跨導,roM1、roM2分別為M1、M2管的小信號等效內(nèi)阻。vod/2為差模輸出信號??梢杂嬎愠霎斴斎胄盘枮椴钅P⌒盘枙r,LVDS預(yù)放大器的差模輸出信號的表達式為:

        ■=g■·■(3)

        因為M1管與M2管的設(shè)計參數(shù)完全一致,所以可得:

        gmM1=gmM2(4)

        roM1=roM2(5)

        將式(4)、(5)代入式(3)可得LVDS預(yù)放大器的差模小信號增益Avd為:

        Avd=■=■(6)

        當輸入信號為共模小信號時,得到LVDS接口電路預(yù)放大器電路的小信號等效電路模型如圖5所示。

        圖3中,roP1為P1管的交流小信號等效電阻,vic為共模輸入小信號,voc為共模輸出小信號??梢杂嬎愠霎斴斎胄盘枮楣材P⌒盘枙r,LVDS預(yù)放大器的共模輸出信號的表達式為:

        voc=■(7)

        將式(3-4)、(3-5)代入式(3-7),可得

        voc=■(8)

        LVDS預(yù)放大器的共模小信號增益Avc為:

        Avc=■=■(9)

        由式(6)、(9)可以計算出LVDS預(yù)放大器的共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio,CMRR)的表達式為:

        CMRR=■=■(10)

        而傳統(tǒng)的電流鏡負載結(jié)構(gòu)的差分放大器該的共模抑制比的表達式為;

        CMRR=■=(1+2gmProP1)gmN(roP||roN)(11)

        式(11)中,gmP為PMOS管P2、P3的跨導,gmN為NMOS管M1、M2的跨導,roP為PMOS管的小信號等效電阻,roN為NMOS管的小信號等效電阻。

        將式(10)與式(11)對比可以發(fā)現(xiàn),采用Lee負載結(jié)構(gòu)所設(shè)計的預(yù)放大器的共模抑制比比采用電流鏡負載的差分放大器大一個數(shù)量級,從而對LVDS信號輸入端的共模噪聲有更好地抑制作用。

        輸入信號經(jīng)過預(yù)放大器的放大之后雙端口輸出至由P4、P5、M5、M6這四個MOS管構(gòu)成的電壓比較器,電壓比較器電路主要實現(xiàn)以下三個功能:

        (1)將預(yù)放大器雙端口輸出的信號進一步放大,提升電壓比較器的比較精度;

        (2)將雙端輸入信號轉(zhuǎn)成單端輸出信號;

        (3)將輸出最大電平從3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V;

        由于電壓比較器輸出的信號波形的擺幅、上升沿下降沿的陡峭程度還不能達到CMOS數(shù)字信號的要求,所以需要在電壓比較器的輸出端接一個又兩級CMOS反相器構(gòu)成的整形緩沖器,由于CMOS反相器可以將輸入端緩慢變化的波形快速翻轉(zhuǎn),從而大大地降低輸出端波形的輸出上升時間以及輸出下降時間,整形緩沖器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        3 LVDS信號接收器仿真

        基于CSMC0.18um Typical工藝庫,使用Cadence Spectre仿真器對LVDS信號接收器電路進行輸入輸出特性的仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。

        從仿真結(jié)果可以看出,當LVDS信號接收器輸入信號為頻率500MHz、偏置1.2V的正弦波差分信號時,接收器輸出端信號為CMOS方波數(shù)字信號,且輸出波形的上升沿及下降沿陡峭,整個系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,達到了設(shè)計的預(yù)計目標。endprint

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