Sonet CMOS收发器的数据速率已达到10Gbps

在2004年国际固态电路会议上,我们展示了用0.13微米CMOS工艺开发的一款单芯片全速率4:1串行器/解串行器,其功耗低于1W。以前,同类设计通常是采用硅锗和BiCMOS工艺实现的。

此外,我们提出了一种特殊的供电概念,它可抑制收发器接收端(RX)与发射端(TX)之间的串扰。这是通过一个新颖的高Q值凹状电感实现的,它被布置在压控振荡器(VCO)中,而且它的相位抖动比Sonet规范小5倍。

XT38702是一款全集成收发器,包含限幅放大器、时钟与数据恢复电路、复用器与解复用器以及时钟倍频单元(CMU)。在工作中,该器件不需任何外部元件,而且功耗小于1 W。

因为集成了限幅放大器,10Gbps串行器/解串行器的输入灵敏度小于15mV。该收发器能自动锁定在9.95Gbps至10.7Gbps之间的任何数据速率,因而适合于大多数10Gbps应用。

TX由一个时钟倍频单元和一个4:1复用器组成,而RX包含限幅放大器、时钟与数据恢复电路以及一个1:4解复用器。除了这些之外,该收发器无需其它任何外部器件。所有高速电路是用差分电流模式逻辑实现的,并采用了一个合成电感负载来增加带宽。这些电路由子模块线性稳压电源供电,因此在不超过器件击穿电压的前提下可允许最大的信号摆幅。

通过将稳压源的本地电容耦合到公共地平面,并提供一个极低阻抗的路径(因为采用了尽可能多的焊线来连到外部地),RX/TX串扰被降至最小。由于电源稳压器可以提供与总电源隔离的本地电源,这保证了从每个电源节点至外部地只有一条低阻抗路径,从而避免任何无阻尼LC环路达到其峰值。

所有VCO共用一个基础构建模块,并工作在10 GHz上。该模块包含一个可提供所需负跨导的交叉耦合NMOS差分对、一个单环马蹄形电感、一个PN结变容二极管以及一个由金属-绝缘体-金属(MIM)电容组成的阵列。

测量结果表明,在10 GHz,电感增加了6(,而品质因数增加了30(,达到26。PN结变容二极管用于在锁相环(PLL)正常工作期间进行连续调谐,其调谐范围是300 MHz。MIM电容用于将VCO校准到一个参考时钟上,它在1.2 GHz范围内可达到1(的精度。这能产生较宽的调谐范围以及出色的相位噪声,而这些对于CMU的性能而言是非常关键的。差分对被嵌入到深N井中以避免衬底串扰。

当供应电压为1.2V时,CMU VCO消耗的电流为6.5mA。它在1 MHz处可获得-118 dBc的相位噪声。通过使PLL带宽保持恒定,设计者能获得最平坦的CMU抖动-传输函数。为达到此目的,设计者可以通过调整与其成反比的电荷泵电流来补偿非线性的VCO增益特性。全速率设计允许他们减少引入的数据抖动,因为4:1复用器可以重新调整在10 GHz全速率的输出数据。当遵循Sonet OC-192规范的要求时,该芯片可产生0.2皮秒的抖动(rms)。

恢复的10Gbps数据被馈送到1:4解复用器中。收发器可以工作在9.95Gbps至10.7Gbps的数据率上,误码率(BER)低于10^-12。

Heinz Werker是Xignal技术公司的资深首席工程师,其它作者包括首席工程师Stephan Mechnig及高级工程师Christophe Holuigue、Christian Ebner、Frederic Roger和Gerhard Mitteregger。

作者:Heinz Werker、Stephan Mechnig、Christophe Holuigue、Christian Ebner、Frederic Roger、Gerhard Mitteregger