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近年来,光纤通信已成为信息高速公路的主体,因此,开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国信息化建设具有重大意义。复接器位于光纤通信系统中发射机的前端,作用是将多路并行的低速信号合并成一路串行的高速信号,是实现高速通信的关键电路。
本文主要研究降低复接器芯片功耗的方法,在进行理论分析及仿真的基础上采用SMIC0.18μmCMOS工艺设计2个IOGb/s复接器,以验证所研究的降低功耗方法的效果。
在降低功耗的两种手段(降低电压和降低电流)中,本文选择降低电流的方法来实现低功耗设计。为降低工作电流,本文采用优化系统结构和电路拓扑结构的方法。在系统结构方面,由于树型结构具有电路可以分级优化,所需时钟产生容易等优点,本文采用树型结构实现低功耗复接器设计。在电路拓扑结构方面,使用CMOS逻辑设计电路是本文研究的重点。
本文中采用SMIC0.18μm CMOS工艺设计了10Gb/s4:1复接器以及10Gb/s16:1复接器以观察降低功耗的效果。其中,16:1复接器的低速(622Mb/s至SGb/s)复接单元以及低速(2.5GHZ至622MHz)分频单元采用CMOS逻辑电路实现,高速(5Gb/s至10Gb/s)复接单元以及高速(5GHz至2.5GHz)分频单元采用SCFL逻辑电路实现。测试结果显示,16:1复接器芯片在10Gb/s工作速率上眼图清晰,张开度良好,电源电压1.8V,功耗160mW,证明使用CMOS逻辑电路设计的复接器能工作到5Gb/s速率。4:1复接器的核心电路采用全CMOS逻辑电路实现。其中,低速(2.5Gb/s至5Gb/s)复接单元采用4_T锁存器,高速(5Gb/s至1OGb/s)复接单元和高速(5GHz至2.5GHz)分频单元采用动态锁存器,仿真结果表明,4:1复接器可以工作在10Gb/s速率上,电源电压1.8V,功耗为67mW。
研究表明,采用0.18μm CMOS工艺,可以实现全CMOS逻辑超高速(10Gb/s)复接器设计,并可以有效地降低功耗。
论文最后给出了在2.5Gb/s速率级别上复接器芯片的封装研究结果,为今后的芯片设计及封装积累经验。该复接器采用SOP-16封装方式进行封装。在PCB板上测试结果表明,封装后芯片最高可工作在2.3Gbit/s速率上。