文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191333
中文引用格式： 劉穎，田澤，呂俊盛，等. 一種1 GHz～6 GHz寬頻高線性度相位插值電路的設計與實現[J].電子技術應用，2020，46(4)：45-48.
英文引用格式： Liu Ying，Tian Ze，Lv Junsheng，et al. Design and implement of a 1 GHz to 6 GHz phase interpolator with wideband and high-linearity[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(4)：45-48.
0 引言
在一些高速多通道串行收發系統中，數據在發送過程中只傳輸數據信號而不傳送與數據信號同步的時鐘信號，需要在接收端用時鐘數據恢復電路(CDR)從數據中提取時鐘，并對數據重定時來保證數據的正確采樣。因此時鐘數據恢復電路的性能將直接影響到高速串行數據通信系統性能[1-4]。目前常用的CDR系統多采用基于相位差值器的數模混合結構，其面積小、魯棒性好、便于工藝遷移等優點在先進工藝下更具優勢。因此相位插值器性能的優劣對實現時鐘相位調節起到至關重要的作用[5-6]。
傳統的插值電路由2個差分對和負載電阻RL組成，由二選一MUX選擇輸入信號實現任意角度的插值，雖然結構簡單且節省面積，但MUX信號選通輸入時會引入毛刺，直接影響插值器的線性度[7-9]。而本文提出相位插值方案采用4個差分對、4組數模轉換器、公共負載電阻RL組成的核心插值電路不存在輸入信號的突變，減小了輸出信號毛刺，有效地提高了相位插值器的線性度。
1 電路結構
相位插值電路由輸入4相校正電路、核心插值電路和輸出緩沖電路組成，其結構框圖如圖1所示。輸入4相時鐘經過輸入緩沖電路進行整形放大，由恒定比重的模擬插值電路進行重新相位校正，產生4相時鐘進入核心插值電路，此處采用兩個核心插值電路可同時產生4相正交時鐘，通過同一組電流控制溫度計碼調整輸出不同相位，經過電平轉換電路將CML電平轉換為CMOS電平，并通過輸出緩沖級及交叉耦合的反相器增大驅動，調整4相時鐘占空比，得到占空比50%的4相正交時鐘。
2 模塊電路設計
2.1 輸入4相校正電路
為了消除鎖相環輸出4相時鐘信號的共模及幅度影響，輸入緩沖電路通過交流耦合電容，由電阻分壓對輸入4相時鐘信號共模自建，經過差分放大器對信號放大。由于相位插值電路是在每個象限進行32等分，為了保證良好的插值線性度，輸入時鐘需要保證90°相差，同時增加RC時間常數，使時鐘邊沿平緩。因此，由恒定比重的模擬插值電路進行重新相位校正，產生4相正交時鐘，電路如圖2所示。
2.2 核心插值電路
核心插值電路由兩個相同的插值電路組成，用于產生相差90°的4相時鐘，其中核心插值單元的電路結構如圖3所示，由4個差分對、4組數模轉換器、公共負載電阻RL組成，輸入相差90°的4相時鐘，插值輸出一對差分時鐘。鎖相環輸出的8相時鐘信號輸入4個差分對中(Φ0-Φ1，Φ2-Φ3，Φ4-Φ5，Φ6-Φ7)，數字濾波器對兩個差分時鐘邊界輸出互補的溫度計碼控制DAC導通電流大小，完成對差分輸入時鐘的相位權重分配，作用在負載電阻RL上插值產生最終的相位時鐘。
將鎖相環產生的8相時鐘以差分信號形式分別輸入4個差分對中，以一個時鐘周期劃為8個象限，時鐘相位按照逆時針方向遞增，如圖4所示。通過數字濾波器對兩個邊界差分時鐘輸出互補的溫度計碼產生任一時鐘相位輸出。當一個邊界差分時鐘的DAC控制碼增大時，另一邊界時鐘的DAC控制碼減小相應的值，從而保證權重和不變(十進制128)，使得插值輸出時鐘相位不會超出邊界。表1中對不同象限時鐘及其對應的輸入差分對進行了說明。以33°輸出相位為例，差分對Φ0-Φ1連接0°、180°時鐘，差分對Φ2-Φ3連接90°、270°時鐘。數字濾波器輸出DAC1的控制碼為0001100000(十進制對應為96)，DAC2的控制碼為0000100000(十進制對應為32)，同時關閉DAC3和DAC4，此時插值器輸出的時鐘相位即為33°。輸入時鐘可按照表1所示，插值第二單元與第一單元輸入信號相差90°，即可得輸出的時鐘相位即為123°，實現4相差分時鐘輸出。
2.3 輸出緩沖電路
相位插值電路產生的信號首先經過一級緩沖電路，經過交流耦合電容、電阻分壓和差分放大處理，再由兩級信號放大和信號調理將CML電平轉換為CMOS軌對軌電平，如圖5所示。輸出緩沖電路通過兩級交叉耦合的反相器調整信號上升、下降時間，使輸出時鐘占空比保持50%，提供穩定的輸入正交時鐘信號。
3 物理實現及仿真結果
基于40 nm CMOS工藝，在Candence環境下完成版圖，設計時注意差分結構對稱走線，高頻信號線盡量短，同時抑制共模噪聲，減少信號間相互串擾，其版圖如圖6所示，相位插值器整體電路尺寸為122 μm×255 μm。
線性度是相位插值器的重要技術指標，決定相位插值器將會引入的抖動，主要通過積分非線性(Integral Non-Linearity，INL)和微分非線性(Differential Non-Linearity，DNL)兩個指標衡量。使用Candence Spectre工具對插值器電路進行整體仿真，改變相位插值器的電流控制碼，對輸入時鐘為6 GHz相位插值的單調性和線性度進行仿真。圖7為相位插值器線性度曲線，從后仿真結果可以看出，插值器的輸出時鐘相位變化均勻，周期穩定，與理想相位曲線幾乎擬合一致，線性度很好。
為了模擬插值器在相位動態變化過程中的工作狀態，編寫Verilog代碼產生32位DAC電流控制碼，使電流控制碼依次開啟和斷開，從0°向右移動，至少移動128次，以便于觀察相位插值器在一個周期的變化。輸入時鐘頻率為5 GHz，為了方便計算，采樣時鐘設定為500 MHz，選取初始點后150次進行DNL和INL計算，其結果如圖8、圖9所示。在相位變化的一個周期內相位移動128次，DNL最大不超過1.4 LSB，INL最大不超過1.5 LSB，表明插值器每次相位移動在1 LSB左右，累積的相位變化能周期性地消除，插值器性能較好。
4 結論
本文提出了一種新型相位插值電路，由4個差分對、4組數模轉換器、公共負載電阻RL組成，通過數字濾波器對兩個邊界差分時鐘輸出互補的溫度計碼控制DAC輸出電流的大小，完成對不同差分對輸入相位時鐘的權重分配，實現128次相位插值，插值精度高，并利用輸入級4相校正電路和輸出占空比調整電路對差分信號進行整形優化。電路采用40 nm CMOS工藝實現，仿真結果表明插值器在工作頻率1 GHz到6 GHz線性度良好，DNL最大不超過1.4 LSB，INL最大不超過1.5 LSB，已成功集成在多款SerDes電路中。
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作者信息：
劉 穎1，田 澤1，2，呂俊盛1，2，邵 剛1，2，胡曙凡1，李 嘉1
(1.航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068；
2.集成電路與微系統設計航空科技重點實驗室，陜西 西安710068)