陸德超 ,呂方旭 ,王和明 ,陳 江 ,郭凱樂

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710000;2.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100000)

高速串行接口(SerDes)作為芯片、背板和機(jī)柜之間數(shù)據(jù)高速交換的必要組件,其性能的優(yōu)劣對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚侔l(fā)展有著至關(guān)重要的影響。而連續(xù)時間線性均衡器(CTLE)作為SerDes 系統(tǒng)中接收機(jī)模擬前端的核心模塊,其對信道均衡補償?shù)膬?yōu)劣決定了整個SerDes 收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的總體傳輸速率。

在高速有線通信系統(tǒng)中,信道的非理想效應(yīng)[1]對信號的傳輸質(zhì)量有著越來越重要的影響。由于信道是呈低通特性,信號經(jīng)過信道后會導(dǎo)致高頻信號和低頻信號的衰減程度不一致,加之隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提升,當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到Gbps 以上時,即使是相對較短的銅線,這種低通特性也會導(dǎo)致高頻信號嚴(yán)重衰減,進(jìn)而造成數(shù)據(jù)的碼間干擾[2],致使接收端接收到的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真,從而降低系統(tǒng)性能并增加誤碼率。為解決由信道引起的碼間干擾問題,恢復(fù)出發(fā)送端的原始數(shù)據(jù),均衡器被廣泛應(yīng)用于高速串行鏈路中,用于補償信道的高頻損耗,提升接收端的信號質(zhì)量,以減小誤碼率。此外,由于信道長度、外部環(huán)境等因素的改變也會造成各種不同的信道損耗。為了增加均衡器的靈活適用性,需要實現(xiàn)自適應(yīng)均衡[3-5]。

為實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目的,研究人員已經(jīng)提出了各種自適應(yīng)均衡的方法。其中,使用最多的是頻譜平衡技術(shù)[6-8],該方法一般是使用低通/高通濾波器[9]把判決器前后數(shù)據(jù)的高低頻分量提取出來,然后通過比較數(shù)據(jù)的高頻和低頻分量的功率來實現(xiàn)自適應(yīng)均衡的目的。但采用該方法要嚴(yán)格保證判決器前后信號的幅度一致較為困難。為了解決上述頻譜比較結(jié)構(gòu)的缺點,文獻(xiàn)[10]從信號頻譜本身出發(fā),根據(jù)單個頻率點頻譜做了進(jìn)一步的改進(jìn),提出了頻譜自比較結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不需要判決器模塊來整形均衡輸出信號,因此不要求信號幅度一致。但此結(jié)構(gòu)中的頻率補償電路的增益調(diào)節(jié)范圍較窄。文獻(xiàn)[11]采用另一種自適應(yīng)方法,這種方法的自適應(yīng)均衡原理是基于期望的誤碼率(BER),但該技術(shù)要求最初眼圖有所張開,而對于損耗嚴(yán)重的信道會致使眼圖完全閉合,導(dǎo)致其適用性受到限制。

為實現(xiàn)較寬的增益調(diào)節(jié)范圍和適用于損耗嚴(yán)重的信道,本文采用新的自適應(yīng)方法,設(shè)計了一個基于斜率檢測[12]的自適應(yīng)CTLE 均衡器。該CTLE 的自適應(yīng)反饋環(huán)路通過斜率檢測技術(shù)來比較限幅放大器[13]的輸入/輸出信號的斜率,從而生成控制信號去自動調(diào)節(jié)CTLE 的零極點位置,以便適應(yīng)不同的信道,達(dá)到自適應(yīng)均衡的目的。仿真結(jié)果顯示,在28 Gbps 的數(shù)據(jù)速率下更換不同損耗的信道,該自適應(yīng)CTLE 均能起到顯著的均衡效果。

1 斜率檢測自適應(yīng)CTLE 均衡器整體架構(gòu)

圖1 給出了斜率檢測自適應(yīng)CTLE 均衡器的整體框圖,該自適應(yīng)CTLE 由固定均衡濾波器(CTLE0)、可變均衡濾波器(CTLE1)、兩級限幅放大器和自適應(yīng)模塊構(gòu)成。發(fā)送端輸出28 Gbps 偽隨機(jī)碼信號(NRZ),該信號經(jīng)過有損信道作為均衡器的輸入。CTLE0 先對輸入的失真信號進(jìn)行預(yù)均衡使眼圖有所張開,同時有助于擴(kuò)展帶寬?？勺僀TLE1 補償因信道長度、外部環(huán)境等因素發(fā)生改變而造成的各種不同信道損耗,其中低頻增益和高頻增益由自適應(yīng)模塊中反饋回來的控制電壓VCTRL進(jìn)行調(diào)節(jié),以實現(xiàn)自適應(yīng)。自適應(yīng)模塊中包含一個積分器、兩個斜率檢測器和一個減法器。最后是限幅放大器,采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)有助于提供大增益,目的是把均衡輸出信號(VE)整形成一個轉(zhuǎn)換時間小、幅度固定的近理想信號(VD),以便和VE進(jìn)行斜率比較。

圖1 斜率檢測自適應(yīng)CTLE 均衡器整體框圖Fig.1 The top block diagram of slope detection adaptive CTLE equalizer

2 斜率檢測技術(shù)理論分析

圖2(a)給出了本文所采用的斜率檢測自適應(yīng)框圖,其中每個斜率檢測器由兩個比較器、一個異或門和一個電壓/電流轉(zhuǎn)換器組成。CTLE1 均衡輸出信號(VE)、近理想信號(VD)和參考電平(VH、VL)作為斜率檢測器的輸入信號,其中參考電平要限制在VE和VD的幅度之間。當(dāng)輸入信號VE(VD)在某段時間Δt內(nèi)位于VH和VL之間時,異或門在對應(yīng)的時間段內(nèi)就會輸出一個高電平,再經(jīng)過一個跨導(dǎo)為1 的電壓/電流轉(zhuǎn)換器就能生成對應(yīng)的電流脈沖,如圖2(b)所示。該電流脈沖的寬度與信號斜率成反比,斜率越大,生成的脈沖寬度越窄,反之亦然,其中斜率的檢測是通過信號的上升沿時間來體現(xiàn)的。當(dāng)兩輸入信號的斜率不相同(欠均衡或過均衡)時,電流脈沖寬度不一樣,就會有電流差對電容充放電,產(chǎn)生不斷變化的控制電壓VCTRL去自動調(diào)節(jié)CTLE1 零極點的位置,以使VE的斜率不斷逼近VD的斜率,從而達(dá)到最優(yōu)均衡。當(dāng)兩輸入信號斜率相同(達(dá)到最優(yōu)均衡)時,電流脈沖寬度一樣,就不會有電流差對電容充放電,此時控制電壓趨于穩(wěn)定,零極點不再變化,自適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)束。

圖2 (a)斜率檢測自適應(yīng)框圖;(b)檢測原理Fig.2 (a) The slope detection adaptive block diagram;(b) Detecting principle

3 電路設(shè)計

3.1 連續(xù)時間線性均衡器

圖3(a)給出了零極點固定的傳統(tǒng)CTLE0 均衡器,在該均衡器中退化電阻和退化電容的值是固定不變的。均衡的原理可以從頻域的角度分析,它是通過衰減低頻和增大高頻的方式來均衡信號的,此特性剛好與信道相反,可以起抵消信道對信號衰減的作用,如圖3(b)所示。該傳統(tǒng)均衡器的傳輸函數(shù)為:

圖3 (a)連續(xù)時間線性均衡器電路;(b)幅頻響應(yīng)Fig.3 (a)The continuous time linear equalizer circuit;(b)Amplitude frequency response

在上述CTLE0 中,均衡器的零極點是固定的,只能針對特定損耗的信道進(jìn)行均衡,而當(dāng)更換不同損耗的信道時,該均衡器就不能起到很好的均衡效果。因此,為了能實時跟隨信道的變化實現(xiàn)自適應(yīng),還設(shè)計了一個零極點可調(diào)的CTLE1 均衡器,如圖4 所示。零極點的調(diào)節(jié)是通過自適應(yīng)環(huán)路中反饋回來的控制電壓VCTRL去改變退化電阻和退化電容的值,進(jìn)而達(dá)到實現(xiàn)調(diào)節(jié)零極點大小的目的。改變零極點的位置就能調(diào)整CTLE1 的傳輸函數(shù),產(chǎn)生不同的幅頻響應(yīng)(如圖5 所示),去補償不同衰減的信道。

圖4 CTLE1 均衡器電路Fig.4 The CTLE1 equalizer circuit

圖5 不同控制電壓下CTLE1 的幅頻響應(yīng)Fig.5 Frequency response of CTLE1 under different control voltages

圖4 實線框中,MOS 管的柵極由反饋回來的VCTRL控制,當(dāng)管子工作在深線性區(qū)時,改變VCTRL就能調(diào)節(jié)電阻的大小。該管子工作在深線性區(qū)時,其等效阻值的近似計算可由式(2)得出:

式中:W和L分別為MOS 管的柵寬和柵長;un為電子遷移率;COX是單位面積的柵氧化層電容;VTH是閾值電壓。由式(2)可以知道,隨著VGS的變大,RS減小。

圖4 虛線框中,采用兩個壓控背靠背串聯(lián)的NMOS 管來實現(xiàn)可變退化電容。把兩個管子的漏極、源極和襯底給連接起來,使它構(gòu)成一個兩端器件,運用VCTRL來改變柵極與襯底之間的電壓,進(jìn)而改變MOS 管的柵極電容。

3.2 自適應(yīng)電路

圖6 給出了本文采用的自適應(yīng)電路結(jié)構(gòu)。該電路由兩個斜率檢測器和一個積分器組成,斜率檢測器中的比較器分別由四個差分對(M3～M10)構(gòu)成,產(chǎn)生相應(yīng)的電流。電流的傳遞通過電流鏡的方式來精準(zhǔn)復(fù)制,兩個斜率檢測器的輸出電流差通過由MOS 管M1 和M2 構(gòu)成的電流減法器來實現(xiàn),電容C 對電流差進(jìn)行積分產(chǎn)生控制電壓VCTRL。

圖6 斜率檢測自適應(yīng)電路Fig.6 The slope detection adaptive circuit

3.3 限幅放大器

圖7 給出了限幅放大器電路。采用兩級CML 緩沖級聯(lián)結(jié)構(gòu)的目的是提供大增益,進(jìn)而把均衡輸出信號整形成一個轉(zhuǎn)換時間小、幅度固定的近理想方波信號VD,以便和VE進(jìn)行斜率比較。但兩級級聯(lián)會使帶寬降低,因此需要在帶寬和增益之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖7 限幅放大器電路Fig.7 The limiting amplifier circuit

4 仿真結(jié)果

為使仿真更接近于實際,直接把高速背板中信道的S參數(shù)提取出來用作有損信道,運用MATLAB 軟件仿真信道的S21傳輸函數(shù)如圖8 所示。其中虛線的信道長度為40 cm,在奈奎斯特頻率14 GHz 處的損耗為21.98 dB;實線的信道長度為25 cm,在14 GHz 處的損耗為15.64 dB。在Cadence IC 軟件平臺下按照圖1整體框圖搭建電路,由于數(shù)據(jù)速率較高,電源電壓設(shè)置為低壓1 V,且所有的MOS 管均采用低閾值管,故采用TSMC 28 nm 技術(shù)來搭建電路仿真。發(fā)送端輸出一個速率為28 Gbps,單位碼元間隔(UI)為35.7 ps 的偽隨機(jī)碼信號作為信道輸入,該信號經(jīng)過實線的信道,得到經(jīng)過信道后的波形如圖9(a)所示,可以看到由于信道對高頻信號的衰減,致使信號嚴(yán)重失真,會導(dǎo)致眼圖完全閉合。為改善信號質(zhì)量,讓該信號先后經(jīng)過固定CTLE0 和可變CTLE1 進(jìn)行均衡,當(dāng)自適應(yīng)環(huán)路達(dá)到最優(yōu)均衡時,得到均衡后信號的波形如圖9(b)所示,此時的控制電壓VCTRL趨于穩(wěn)定,如圖10 所示。均衡前的信號眼圖如圖11 所示,均衡后的信號眼圖如圖12(a)所示,此時眼圖的水平張開度達(dá)到了34 ps(0.95UI)。為驗證該自適應(yīng)電路針對不同損耗的信道也能起很好的均衡效果,于是更換成衰減更為嚴(yán)重的虛線信道,經(jīng)過自適應(yīng)均衡后,眼圖依舊達(dá)到了32 ps(0.9UI),如圖12(b)所示。

圖8 信道的S21傳輸函數(shù)Fig.8 S21 transfer function of the channel

圖9 (a)均衡前的波形;(b)均衡后的波形Fig.9 (a)Waveform before equalization;(b)Waveform after equalization

圖10 控制電壓VCTRL波形Fig.10 Control voltage VCTRLwaveform

圖11 均衡前的眼圖Fig.11 Eye diagram before equalization

圖12 均衡后的眼圖。(a) L=25 cm;(b) L=40 cm Fig.12 Eye diagram after equalization.(a) L=25 cm;(b) L=40 cm

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于斜率檢測的自適應(yīng)CTLE 均衡器。該自適應(yīng)均衡器與傳統(tǒng)的均衡器相比具有更大的靈活適用性,能跟隨不同信道的變化自動調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果顯示,在28 Gbps 數(shù)據(jù)速率下更換不同損耗的信道,該自適應(yīng)CTLE 均能起到顯著的均衡效果,經(jīng)過自適應(yīng)均衡后眼圖的水平張開度均達(dá)到了0.9UI 以上。此外,所采用新的自適應(yīng)方法(斜率檢測)與以往的頻譜平衡、基于期望誤碼率等技術(shù)相比,其實現(xiàn)自適應(yīng)均衡的前提條件較低,且對于損耗嚴(yán)重、眼圖完全閉合的信道,均衡效果依舊顯著。在高速SerDes 收發(fā)機(jī)系統(tǒng)中采用基于斜率檢測方法的CTLE 均衡器,對于整體傳輸數(shù)據(jù)速率的提升具有重要意義。