0 引言

    隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，信息處理速度逐漸提高，數(shù)據(jù)的吞吐量也越來(lái)越大，而高速接口協(xié)議JESD204B則很好地解決了相關(guān)問題。

    靈敏放大器也可以稱為帶時(shí)鐘控制的比較器，因其具有檢測(cè)小擺幅信號(hào)并將其快速放大為全擺幅邏輯信號(hào)的功能，被廣泛用于各種數(shù)字及模擬電路中，例如存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)接收器等。本文設(shè)計(jì)的靈敏放大器是高速接口JESD204B模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。對(duì)于靈敏放大器的設(shè)計(jì)，需要考慮失調(diào)、速度、功耗等相關(guān)性能指標(biāo)。因?yàn)楣饪碳夹g(shù)和隨機(jī)摻雜波動(dòng)在納米器件制造時(shí)會(huì)引起工藝偏差^[1]，導(dǎo)致相同器件之間出現(xiàn)參數(shù)失配，影響電路性能?？蓮慕Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，從而改善失調(diào)電壓^[2-3]；為了提升速度，可通過(guò)多相位預(yù)充^[4]或者采用預(yù)充電模式^[5]進(jìn)行改善；為了降低功耗，可對(duì)時(shí)序控制電路進(jìn)行優(yōu)化^[6]；雖說(shuō)靈敏放大器的性能在不斷地優(yōu)化，但納米級(jí)晶體管給CMOS電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的影響^[7]，因此針對(duì)此方面的研究還有待進(jìn)一步深入。

    本文基于UMC 28 nm CMOS工藝，在低電源電壓和高時(shí)鐘信號(hào)頻率下，結(jié)合相關(guān)的電路性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種采用兩級(jí)預(yù)放大結(jié)構(gòu)以及AB類鎖存器電路的靈敏放大器，各項(xiàng)性能有所改善。

1 靈敏放大器的設(shè)計(jì)

1.1 靈敏放大器整體架構(gòu)

    本文設(shè)計(jì)的靈敏放大器電路，整體框架如圖1所示。電路由前置放大電路、CMOS鎖存電路以及SR鎖存器電路構(gòu)成。電路通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)CLK控制，當(dāng)CLK為高電平時(shí)電路進(jìn)入復(fù)位階段，當(dāng)CLK為低電平時(shí)電路進(jìn)入放大階段。

1.2 前置放大電路

    靈敏放大器最為重要的性能指標(biāo)便是失調(diào)電壓ΔV，可定義為^[8]：

其中V_OH為輸出高電平；V_OL為輸出低電平；A_v為增益。根據(jù)式(1)，在輸出信號(hào)電壓差恒定時(shí)，失調(diào)電壓與增益成反比。因此將放大器設(shè)置為兩級(jí)。第一級(jí)預(yù)放大電路如圖2所示，是一個(gè)基本的差分放大電路。

    在基本差分放大電路的基礎(chǔ)上添加具有隔離作用的M4、M5，以此降低輸入端與輸出端之間的耦合。由于電路的輸入為差分對(duì)，因此如何降低器件的失配顯得尤為重要。為此可采用長(zhǎng)溝道的晶體管作為輸入對(duì)管來(lái)解決此問題，并且具有以下兩個(gè)好處：

其中t_ox為管子?xùn)叛鯇雍穸?、W為管子溝道寬度、L為管子溝道長(zhǎng)度。根據(jù)式(2)，晶體管的分散度與晶體管面積的平方根成反比。因此可增大管子面積以降低分散度，從而提升管子的匹配度。

    其二，改善電路跨導(dǎo)，提高增益?？鐚?dǎo)g_m與晶體管的增益因子β、柵源電壓V_GS以及晶體管的閾值電壓V_TH有關(guān)，即g_m～β(V_GS-V_TH)，增大L導(dǎo)致β增加，從而有效改善跨導(dǎo)，提高電路增益。

    由于低電源電壓，使得輸出擺幅的余度不足。為此調(diào)整M2到M5的尺寸，達(dá)到降低晶體管漏源電壓的目的，從而改善輸出擺幅。

    第二級(jí)預(yù)放大電路如圖3所示。本級(jí)尾電流晶體管M10的柵極與時(shí)鐘信號(hào)相連，因此當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)CLK為低時(shí)，M10處于截止?fàn)顟B(tài)，減少了一路電流偏置，從而降低電路的靜態(tài)功耗。同時(shí)輸入對(duì)管依舊采用長(zhǎng)溝道晶體管，進(jìn)一步降低失配的影響。

1.3 CMOS鎖存電路

    本文所述的CMOS鎖存電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。在AB類鎖存器電路的基礎(chǔ)上增添了兩個(gè)由時(shí)鐘信號(hào)控制的預(yù)放電管M15、M18和開關(guān)管M19、M20、M21。當(dāng)CLK為低電平時(shí)，M16、M17與M22、M23分別交叉連接形成正反饋單元，此時(shí)靈敏放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)CLK為高電平時(shí)，開關(guān)管M21導(dǎo)通，將輸入端調(diào)節(jié)到平衡狀態(tài)；開關(guān)管M19、M20關(guān)斷，導(dǎo)致本級(jí)輸入端對(duì)地的直流通路關(guān)斷；預(yù)放電管M15、M18導(dǎo)通，將節(jié)點(diǎn)a、b處的電壓強(qiáng)行拉至低電平，不僅減小了電路的靜態(tài)功耗，而且平衡了復(fù)位階段輸入到下一級(jí)SR觸發(fā)器的兩個(gè)邏輯電平，削弱了CMOS鎖存電路的存儲(chǔ)效應(yīng)，減小了遲滯，同時(shí)也減小了過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的恢復(fù)時(shí)間，從而降低了靈敏放大器的傳輸延時(shí)。

1.4 靈敏放大器輸出級(jí)

    輸出級(jí)一般為功能器件，這樣可以為負(fù)載提供更穩(wěn)定的信號(hào)。通過(guò)本級(jí)電路不僅能夠加強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，也對(duì)整體電路有保護(hù)作用^[9]。因此本文采用SR鎖存器作為輸出級(jí)。

2 電路仿真及版圖設(shè)計(jì)

    所設(shè)計(jì)電路采用UMC 28 nm CMOS工藝，并且利用Cadence軟件進(jìn)行電路仿真。

2.1 電路的功能仿真

    輸入信號(hào)vinn和vinp均為正弦信號(hào)。電路的基本功能為：當(dāng)輸入信號(hào)vinn大于vinp時(shí)，輸出信號(hào)voutn為低電平，voutp為高電平；反之亦然。仿真結(jié)果如圖5所示。

2.2 失調(diào)電壓與傳輸延時(shí)仿真

    電路的失調(diào)電壓和傳輸延時(shí)仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖6可知，當(dāng)時(shí)鐘頻率為5 GHz時(shí)，失調(diào)電壓為0.2 mV。從圖7可知，當(dāng)時(shí)鐘頻率為10 GHz時(shí)，失調(diào)電壓為0.8 mV。

    定義信號(hào)的上升延時(shí)為t_PLH，下降延時(shí)為t_PHL，則靈敏放大器的傳輸延時(shí)為：

    圖6和圖7表明，當(dāng)時(shí)鐘頻率為5 GHz時(shí)，傳輸延時(shí)為50 ps；當(dāng)時(shí)鐘頻率為10 GHz時(shí)，傳輸延時(shí)為42 ps。

2.3 電路的Monte Carlo仿真

    在CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮由工藝變化帶來(lái)的規(guī)格誤差^[10]。本文分別對(duì)時(shí)鐘頻率為5 GHz、輸入信號(hào)擺幅為0.4 mV以及時(shí)鐘頻率為10 GHz、輸入信號(hào)擺幅為0.8 mV進(jìn)行了100次的Monte Carlo仿真。其中5 GHz的仿真結(jié)果如圖8所示。

2.4 電路的工藝角仿真

    在電路設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)者保證器件能在某個(gè)可控的范圍之內(nèi)。通常這個(gè)范圍是以工藝角的形式給出的^[10]。

    本文的工藝角設(shè)置如下：其一，將電源電壓分別設(shè)置為0.945 V、1.05 V、1.155 V，每個(gè)電源電壓下再分別設(shè)置仿真溫度為-20 ℃、0 ℃、27 ℃、100 ℃，每個(gè)溫度下再分別添加工藝角tt、ss、ff、snfp、fnsp，最后將時(shí)鐘頻率設(shè)置為5 GHz和10 GHz，其中10 GHz的仿真結(jié)果如圖9所示。

2.5 版圖設(shè)計(jì)

    圖10為靈敏放大器電路的版圖，有效面積為176.88 μm²。由于時(shí)鐘信號(hào)CLK的頻率太高，因此在繪制版圖時(shí)，需將其用地線包住，以免對(duì)其他信號(hào)造成影響。

2.6 靈敏放大器的性能比較

    表1給出了本文設(shè)計(jì)的靈敏放大器電路與其他文獻(xiàn)中同類電路的參數(shù)比較。與文獻(xiàn)[9]和[12]相比，本文的功耗較大，但是在時(shí)鐘頻率、失調(diào)電壓、傳輸延時(shí)等方面卻較優(yōu)。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的靈敏放大器電路性能較優(yōu)。

3 結(jié)論

    本文提出了一種新型靈敏放大器結(jié)構(gòu)，通過(guò)Cadence仿真表明，該結(jié)構(gòu)具有低電源電壓、高工作頻率、高精度、低延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。因而，此電路為JESD204B高速接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分提供了一種可行的方法。

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作者信息:

曹  源，張春茗，呂新為

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121）