黎翠鳳

摘要：伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)化發(fā)展，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在此背景下，呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。本文圍繞1.25Gbps并串轉(zhuǎn)換互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS），首先簡(jiǎn)要分析了其芯片結(jié)構(gòu)，探討了其電路，并進(jìn)行了仿真分析，望能為此領(lǐng)域研究提供學(xué)習(xí)借鑒。

關(guān)鍵詞：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體;1.25Gbps;并串轉(zhuǎn)換;集成電路

中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0021-01

當(dāng)前，發(fā)展現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的核心在于數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，以此來(lái)最大程度滿足當(dāng)前高速增長(zhǎng)的信息傳遞需要。為了能夠盡快實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)，業(yè)內(nèi)廣泛開(kāi)展了超高速集成電路的研究與設(shè)計(jì)工作，最終目標(biāo)就是提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸速率，使其達(dá)到吉比特率以上。現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)傳輸速率的提升方法，即為并串轉(zhuǎn)換多路低速數(shù)據(jù)。超高速并串轉(zhuǎn)換集成電路多選用的是砷化鎵、雙極硅等工藝，其芯片有著比較大的功耗，且整體制作成本較高;而采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝是一套實(shí)效性更高的途徑，其有著較小的功耗及較高的集成度，另外，整體制作工藝也比較成熟。當(dāng)前，有學(xué)者已提出了能夠?qū)崿F(xiàn)吉比特率的并串轉(zhuǎn)換CMOS集成電路的方法，本文結(jié)合當(dāng)前實(shí)況，就其芯片結(jié)構(gòu)及電路展開(kāi)深入分析，現(xiàn)對(duì)此作一探討。

1 芯片結(jié)構(gòu)

在整個(gè)通信系統(tǒng)當(dāng)中，8B/10B線性信道編碼能夠映射bits數(shù)據(jù)，使之成為寬度為10bits的碼組，此種編碼憑借轉(zhuǎn)換密度較好、DC平衡及游程長(zhǎng)度受限等優(yōu)點(diǎn)，在相關(guān)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。寬度達(dá)10bits的碼組，其并串轉(zhuǎn)換通常由并串轉(zhuǎn)換器來(lái)完成，產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)（吉比特率），并向光電轉(zhuǎn)換器件發(fā)送，由其進(jìn)行調(diào)制，然后借助光纖傳輸。

現(xiàn)階段，已有三種并串轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)方式，其一為樹(shù)型結(jié)構(gòu)，其二是并行結(jié)構(gòu)，其三為串行結(jié)構(gòu)。針對(duì)串行結(jié)構(gòu)而言，其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但其工作需要在全速率時(shí)鐘下完成，因而對(duì)相相關(guān)工藝有著較高要求。此外，因電路功耗與其工作頻率之間呈正比關(guān)系，所以其功耗比較大。并行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換電路借助1：（N-1）占空比的N相位時(shí)鐘，選擇多路數(shù)據(jù)，且降低電路工作時(shí)鐘，使其僅為串行結(jié)構(gòu)的1/N。還需要指出的是，在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中，于全速率時(shí)鐘下，僅需一個(gè)觸發(fā)器工作，所以，電路功耗要低于串行結(jié)構(gòu);但在并行結(jié)構(gòu)當(dāng)中，或者是門扇入系數(shù)出現(xiàn)異常增大，均會(huì)降低系統(tǒng)工作速度，如果扇入系數(shù)為10，此時(shí)，此結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適用于高速系統(tǒng)，另外，于高速電路當(dāng)中，還會(huì)是電路復(fù)雜度增加，難度也會(huì)隨之增加。而針對(duì)高速并串轉(zhuǎn)換樹(shù)型結(jié)構(gòu)來(lái)講，其實(shí)為一種多級(jí)樹(shù)型結(jié)構(gòu)，雖然能提升系統(tǒng)工作速率，但在對(duì)2N位并行數(shù)據(jù)處理方面，卻受到一定限制。所以，需要設(shè)計(jì)比特位轉(zhuǎn)換電路，把原先10位并行數(shù)據(jù)向2N位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這樣方能用樹(shù)型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。但需說(shuō)明的是，此結(jié)構(gòu)于10路至1路的并串轉(zhuǎn)換當(dāng)中，存在兩大不足：其一，系統(tǒng)需設(shè)置頻率轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生1.25倍于參考時(shí)鐘的頻時(shí)鐘。其二，系統(tǒng)需根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，增加寄存器組，把10bit位寬向8bit位寬進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后用三級(jí)樹(shù)型結(jié)構(gòu)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換;而這會(huì)增加電路規(guī)模、功耗及芯片面積。

本文圍繞10路并行數(shù)據(jù)，加盟器分為奇、偶數(shù)組，各自完成5～1路的并串轉(zhuǎn)換，形成兩路串行數(shù)據(jù)，均為625Mbps，這樣能將已知不足給解決掉。需要強(qiáng)調(diào)的是，運(yùn)用CMOS工藝（0.35μm）的NMOS管，其截至頻率為13.4GHz，能夠證明僅需對(duì)串行結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后把兩路串行數(shù)據(jù)，均用半速率時(shí)鐘工作的2至1路轉(zhuǎn)換單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)樹(shù)型結(jié)構(gòu)的快速化轉(zhuǎn)換，此功能便能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法而言，其囊括了樹(shù)型結(jié)構(gòu)與串行結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在頻率轉(zhuǎn)換、寄存器組電路均不增加的情況下，便能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作速率的提升，且能有效解決電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、功率降低的目的。

為了提升芯片的集成度，并為時(shí)序調(diào)整提供方便，芯片的輸入由兩部分組成，其一為625MHz時(shí)鐘（占空比為1：1），其二為10路并行數(shù)據(jù)。若將系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮子安誒，本文所設(shè)計(jì)的分頻器有自啟功能，最終經(jīng)一個(gè)時(shí)鐘周期，分頻器便能夠進(jìn)入到正常跳轉(zhuǎn)狀態(tài)，比較穩(wěn)定的產(chǎn)生分頻時(shí)鐘，與此同時(shí)，芯片輸出的串行數(shù)據(jù)信號(hào)為1路吉比特速率。

2 電路分析及仿真

基于比特率集成電路架構(gòu)當(dāng)中，電路的時(shí)延能夠相比于信號(hào)的時(shí)鐘周期，另外，因時(shí)鐘信號(hào)上時(shí)鐘信號(hào)線寄生電容，以及大扇出系數(shù)的性負(fù)載，均會(huì)造成時(shí)鐘樹(shù)上各位置的時(shí)鐘形成相位畸變，因而會(huì)對(duì)電路時(shí)序造成影響。所以，需實(shí)施仿真分析，對(duì)時(shí)鐘相位進(jìn)行調(diào)整，且對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)更好的滿足芯片工作時(shí)序需要。

在圍繞本系統(tǒng)開(kāi)展仿真時(shí)，信號(hào)經(jīng)同步輸入濟(jì)邏輯運(yùn)算處理后，能夠同步輸出。使t0時(shí)刻時(shí)鐘CLK上升沿，同步對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，把采樣信號(hào)向組合邏輯進(jìn)行適時(shí)輸出，且通過(guò)傳輸時(shí)間tp之后，組合邏輯開(kāi)始輸出，于穩(wěn)定時(shí)間ts后，組合邏輯將穩(wěn)定值輸出。因此，最終可得信號(hào)輸出的不穩(wěn)定區(qū)是（t0+tp、t0+ts），穩(wěn)定期（t0+ts、T+tp）。為了能夠正確且同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，所輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定期長(zhǎng)度需>0。

對(duì)輸出同步電路的構(gòu)建及保持時(shí)間進(jìn)行深入分析，在時(shí)序上，組合邏輯需要滿足：自組合邏輯輸出值至?xí)r鐘上升沿所需時(shí)間需>輸出同步電路的構(gòu)建時(shí)間tsetup，而自時(shí)鐘上升沿至組合邏輯完成輸出的時(shí)間需>輸出同步電路的保持時(shí)間thold，也就是數(shù)據(jù)穩(wěn)定期需>tsetup+thold。因此，在仿真過(guò)程中，需對(duì)同步電路進(jìn)行優(yōu)化，使其構(gòu)建時(shí)間最短，且保持時(shí)間最小。與此同時(shí)，將組合邏輯電路的時(shí)延減小，以此促進(jìn)系統(tǒng)工作速度的提升。

通過(guò)分析對(duì)比，于邏輯電路當(dāng)中，異或門XOR有著較大延時(shí)，因而對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中分頻器的工作速度造成了制約。依據(jù)上述分析，對(duì)組合邏輯電路進(jìn)行優(yōu)化，減小其時(shí)延，這樣有助于工作速度的提升。所以，本文著重優(yōu)化XOR，將系統(tǒng)工作速度提升問(wèn)題給解決掉?；陂_(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)XOR，經(jīng)優(yōu)化所得XOR的電路由四個(gè)MOS管組成，仿真結(jié)果得知，通過(guò)進(jìn)行優(yōu)化，此電路有較小的時(shí)延，僅0.15ns，而且功耗較小，占用芯片面積較小。經(jīng)模擬，用此XOR分頻器，能夠在2GHz以上頻率上工作。因此，通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)及器件尺寸進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，減小邏輯器件于高速工作狀態(tài)下的時(shí)延，有助于系統(tǒng)工作速率的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)分析超高速并串轉(zhuǎn)換集成電路，設(shè)計(jì)了串行與樹(shù)型相結(jié)合的并串轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并對(duì)器件延時(shí)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，進(jìn)而用高速且容易重用單元電路，最終實(shí)現(xiàn)吉比特率并串轉(zhuǎn)換集成電路。經(jīng)仿真分析得知，通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)即器件尺寸實(shí)施優(yōu)化，能減小其高速工作下的時(shí)延，有助于提升系統(tǒng)工作速率。

參考文獻(xiàn)

[1] 卞振鵬，姚若河，鄭學(xué)仁.4Gbps低功耗并串轉(zhuǎn)換CMOS集成電路[J].電子與封裝，2019，9（2）：21-23.

[2] 劉明，米丹，喻德順.CMOS集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].微處理機(jī)，2016，25（4）：1-2.

[3] 陳瓊，馮建農(nóng).CMOS集成電路功能測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017（01）：22-25.

Research on 1.25gbps Parallel to Serial Conversion CMOS IC

LI Cui-feng

（Ludong University，Yantai? Shandong? 264001）

Abstract：With the sustainable development of social economy， the modern network communication system presents a rapid development momentum in this context. This paper focuses on 1.25gbps parallel to serial conversion complementary metal oxide semiconductor （CMOS）. Firstly， the chip structure is analyzed， the circuit is discussed， and the simulation analysis is carried out， hoping to provide reference for the research in this field.

Key words：complementary metal oxide semiconductor; 1.25gbps; parallel to serial conversion; integrated circuit