0.18μm CMOS工艺低电压超高速1:16分接器设计

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分接器位于光接收机的末端,将光纤传输中串行高速信号还原为并行的多路低速信号,是光纤通信系统中的关键电路。 由于便携式电子系统的快速发展,电源电池技术的相对滞后,低功耗设计成为电路设计考虑的一个重要因素。在确定的制造工艺背景下,高速率和低功耗指标是一组矛盾。保证分接器在高速率上稳定工作是电路设计的一个难点,实现芯片功耗的最低化是电路设计的另一个难点。降低电路的功耗可以采用以下手段:降低电源电压和(或者)降低电源总电流。而减小电源电压是减小功耗最直观的手段,故采用之。然而,降低电源电压则对电路的高速率指标和电路结构的选择提出新的挑战。 本文设计的1:16分接器实现了1路STM-64高速信号到16路STM-4低速信号的分接功能。该分接器可应用于光纤通信系统STM-64(10Gbit/s)速率级别的光接收机中。 在对几种常见的分接器结构做了初步量化计算以后,本文决定选用树型分接器结构进行电路设计,以1:2分接器模块为基本单元,在高速数据和时钟端采用了单端动态负载锁存器结构,在中速端采用了准静态CMOS锁存器结构,而低速端则采用了动态CMOS锁存器结构进行设计。这样既保证了电路的高速特性,又同时兼顾了芯片的面积和功耗等重要指标,从而达到课题的设计要求。 本次设计的1:16分接器芯片采用标准电压为1.8V的SMIC0.18μm RF CMOS工艺进行流片,芯片面积为975μm*675μm。测试结果表明,在电源电压为1.5V时,电路能够实现1路10Gb/s高速数据到16路625Mb/s低速数据的分接功能,眼图清晰,张开度较大,边缘陡峭,芯片功耗为172mW。 为了更好地验证深亚微米工艺条件下低电压设计的可行性,本文采用标准电压为1.2V的UMC0.13μm CMOS工艺,设计了一块二分频器,芯片面积为412μm*338μm。测试结果表明,在电源电压为1V时,芯片能正常工作,分频范围为3GHz~18GHz;在电源电压为0.8V时,芯片工作范围为3GHz~17GHz。芯片功耗为20mW(电源电压为1V时)。
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