采用负电容结构的新型CTLE均衡器设计

陆德超， 郑旭强， 吕方旭， 王和明， 陈 江， 吴苗苗， 刘 涛

(1.空军工程大学防空反导学院，西安 710000； 2.中国科学院微电子研究所，北京 100000)

0 引言

随着5G时代[1-2]的到来，数据传输的速率越来越快。高速串行接口(SerDes)[3]作为芯片、背板和机柜之间数据高速交换的必要组件，其性能的优劣对数据传输的高速发展有着至关重要的影响。而连续时间线性均衡器(CTLE)[4]作为SerDes系统中接收机模拟前端的核心模块，其对信道均衡补偿能力的大小决定着整个SerDes收发机系统的整体数据速率的提高。

在高速有线通信系统中，信道的非理想效应对信号的传输质量有着越来越重要的影响。由于信道呈低通特性，信号经过信道后会导致高频信号和低频信号的衰减程度不一致，随着数据传输速率的不断提升，当数据传输速率达到Gibit/s级以上时，即使是长度相对较短的铜线，这种低通特性也会导致高频信号严重衰减，进而造成数据的码间干扰(ISI)[5]，致使接收端接收到的数据严重失真，从而降低系统性能并增加误码率。为解决由信道引起的码间干扰问题，恢复出发送端的原始数据，均衡器被广泛应用于高速串行链路，用于补偿信道的高频损耗，提升接收端的信号质量，以减小误码率。

为了补偿信道对高频信号的衰减，恢复出发送端的原始数据，各种均衡的方法相继被提出，大体可分为发送端均衡和接收端均衡。发送端均衡主要以预加重[6]和去加重[7]为主，当采用预加重来增强高频分量时，系统中的噪声和串扰也会同时被放大；采用去加重均衡会降低信号的摆幅，不利于下一级的驱动。接收端均衡可分为线性均衡器[8]和非线性均衡器[9]。由于线性均衡器一般位于信道之后且是接收机模拟前端的第一级，其均衡补偿能力的优劣，对后续信号能否正确处理是至关重要的。因此，本文主要研究的是线性均衡器，而线性均衡器中的典型器件即CTLE均衡器。

由于数据的传输速率越来越高，仅采用传统结构的CTLE均衡器已无法满足均衡要求。因此，针对传统CTLE均衡器补偿能力不足的缺点，各种CTLE均衡器的改进结构被提出。文献[10]在传统CTLE的基础上，将折叠式共源共栅型拓扑结构叠加在传统一级 CTLE的输出端，虽可以增强高频增益，但结构复杂且高频增益提高不明显，能均衡的数据速率较低，只有2.125 Gibit/s；文献[11]为了扩展带宽和增强高频增益，在负载处串联了无源电感，虽说均衡效果明显，但电感占用的芯片面积较大，频繁地使用电感将会大大增加芯片成本；为减小芯片面积，文献[12-13] 通过使用 MOS 管和电阻构成有源电感替换了以往的无源电感，虽使面积极大减小，但采用 MOS 管形式的有源电感作为电路的负载会降低电压裕度，同时电感与负载电容并联，也容易引发谐振。

为增强高频增益补偿范围和减小芯片面积，本文在TSMC 28 nm CMOS工艺下，采用新型的CTLE结构，设计了一个基于负电容的CTLE均衡器。该均衡器是在传统CTLE均衡器的输出端，通过两个交叉耦合的NMOS管对来构成正反馈，将电容CC转换成负电容，从而可以抵消负载电容CL的影响，使得电路的带宽得以扩展。仿真结果显示，在25 Gibit/s的数据传输速率下，采用该负电容结构的CTLE均衡器具有良好的均衡补偿能力。

1 信道仿真

由于趋肤效应、介质损耗和导体损耗等因素的存在，信道是呈低通特性的，频率越高、衰减越大。正是由于该特性，信号经过信道后，信号的高低频分量衰减程度不一致，进而造成数据的码间干扰。为使仿真更接近于实际，本文直接通过矢量分析仪把高速背板中信道的S参数提取出来用作有损信道，运用Matlab软件仿真传输函数如图1所示。该衰减曲线在高速背板中对应的信道长度为40 cm，线间距为1 cm，线宽为15 mil，它在奈奎斯特频率14 GHz处的衰减为21.98 dB。

图1 信道的S21传输函数Fig.1 S21 transfer function of the channel

2 传统CTLE均衡器分析

图2所示为连续时间线性均衡器电路与幅频响应。

图2 连续时间线性均衡器电路与幅频响应

图2(a)给出了传统CTLE均衡器的电路结构，该均衡器是通过退化电阻RS和退化电容CS的值来调节增益补偿范围的。均衡的原理可以从频域的角度分析，它是通过衰减低频和增大高频的方式来均衡信号的，此CTLE均衡器的特性刚好与信道相反，可以抵消信道对信号的衰减，均衡器与信道级联后，使得整体的带宽得以扩展，如图2(b)所示。该传统均衡器的传输函数为

(1)

3 新型负电容CTLE均衡器分析

传统的CTLE均衡器中由于第一极点的存在，高频增益在上升到该极点处时就不再增加，使得均衡器的均衡强度不够。当信道的损耗较为严重时，采用该结构就无法收到好的均衡效果。因此，为了提升高频增益，本文对传统的CTLE均衡器做了进一步的改进，提出了一种基于负电容结构的CTLE均衡器，如图3(a)所示。

图3 新型的CTLE均衡器及其输出阻抗Fig.3 The new CTLE and its output impedance

该结构的基本原理是通过在第一极点处增加一个额外的零点与该处的极点相互抵消，这样一来通过零极点相互抵消之后，曲线在第一零点的作用下就能在该处继续提升来增强高频增益。

负电容的小信号等效电路如图3(b)中红色虚线框所示，其等效阻抗为

(2)

式中，RNC=(Cgs/CC+2)/gm，gm和Cgs分别为MOS管M5(M6)的跨导和栅源电容。

负载阻抗为

(3)

总的输出阻抗为

(4)

新型CTLE均衡器的传输函数为

(5)

式中：gm0为输入差分对管M1(M2)的跨导；gm为交叉耦合管M5(M6)的跨导。

运用Cadence IC软件分别对传统型CTLE 和新型CTLE的传输函数进行仿真分析，得到它们的幅频响应曲线如图4所示。

图4 改进前后的幅频响应Fig.4 Amplitude-frequency response before and after improvement

可以看出，采用负电容结构的CTLE由于增加了额外的零点，有效地增强了高频增益，使得改进的新型CTLE对衰减严重的信道也能起到很好的均衡作用。

4 仿真结果

在Cadence IC软件平台下按照图5整体框图搭建电路。

图5 整体框图Fig.5 Overall block diagram

先是在发送端输出一个25 Gibit/s的伪随机码信号作为信道输入，该信号经过有损信道后，得到的波形如图6(a)所示，可以看出,由于信道对高频信号的衰减，信号严重失真，会导致眼图完全闭合，如图7(a)所示。为改善信号质量，让该信号先通过传统的CTLE均衡器进行均衡，眼图能张开一些，如图7(b)所示。可见传统的CTLE均衡强度不够，均衡效果不明显，不能满足要求。为此，让该信号通过新型的CTLE均衡器进行均衡，得到均衡后信号的波形和眼图分别如图6(b)、图7(c)所示。

图6 CTLE均衡前后波形Fig.6 Waveform before and after equalization

图7 均衡前后的眼图Fig.7 Eye diagram before and after equalization

从图7(b)和图7(c)可以看出，采用新型结构的CTLE均衡后，眼宽和眼高都有了很大的提升。与传统的CTLE相比，新型结构的均衡效果明显优于传统结构。将该新型结构均衡器与其他结构的均衡器进行比较，结果如表1所示。

表1 本文与其他文献均衡器参数对比Table 1 Equalizer parameters of this article with other literatures

由表1可知：文献[4]和文献[14]采用多级并联反馈网络的方法来改善传统均衡器，但由于是多级并联，使得结构复杂；文献[10]采用折叠式共源共栅型拓扑结构来提升均衡器的高频增益，但增益提高不明显，能均衡的数据速率较低；文献[15]采用的是频谱平衡方法，电压高、功耗大。眼图张开度不仅跟均衡强度相关，还与输入信号的幅值有关，每个文献给的输入幅值不一样，故对比性不强。本文在功耗和速率方面都略优于其他文献。

5 结论

本文采用新型结构设计了一个基于负电容的CTLE均衡器。该新型均衡器与传统的均衡器相比具有更大的高频补偿增益，对于损耗严重、眼图完全闭合的信道，均衡效果依旧明显。仿真结果显示，在25 Gibit/s的数据传输速率下，采用负电容结构的均衡器具有良好的补偿能力，均衡后眼图的水平张开度达到了0.9个码元间隔(1码元间隔UI=40 ps)以上。此外，采用负电容结构的CTLE均衡器与以往采用无源电感相比，芯片的面积大大缩小；与采用有源电感相比，负电容结构的电路性能更加稳定。在高速SerDes收发机系统中采用基于负电容方法的CTLE均衡器，对于整体传输数据速率的提升具有重要意义。