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基于PLL的时钟数据恢复电路设计

作　者: 刘期若
导　师: 来逢昌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 光纤通信时钟数据恢复锁相环半速率半速率自动调相鉴频器抖动
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着互联网节点的急速增长,主干网传输的数据量持续迅猛增长。在2005年,全球互联网主干网的负载预计量就已经高达11Tb/s,这意味着网络的带宽在未来的几十年内必须保持以每7年50到100倍的速度增加。在现有的传输媒介中,光纤因为具有宽带宽,低损耗,一直被认为是互联网主干网流量问题最具有吸引力的解决方案。然而,芯片之间的通信依然是设计光纤通信的主要瓶颈。为了在现有的工艺下提高芯片的运行速度,必须将发送器和接收器做到同一块芯片上。而时钟数据恢复电路(CDR)做为整个光纤通信系统的核心部分,是光纤传输系统和其他高速串行数据通信系统的主要瓶颈之一。同时CDR电路设计必须满足SDH的一系列标准。本文采用smic0.18μm混合信号CMOS工艺设计了一款基于PLL的带有频率辅助捕获的双环路半速率时钟数据恢复电路。设计了一个半速率线性鉴相器,用以检测输入数据和半速率时钟之间的相位。为了增加整个环路的捕获范围设计了一个半速率数字自动调相鉴频器比较伪随机输入数据和时钟信号的频率差。同时设计了一个四级环形差分振荡器,振荡器具有较大的调节范围。电荷泵的设计采用带有正反馈的差分结构,电荷泵的开关管仅使用NMOS晶体管来提高充电电流和放电电流的匹配性。最后使用Spectre仿真软件对电路进行了仿真验证。该电路恢复的数据的峰-峰值抖动为34.6ps,在1.8V的电源电压下,整体电路功耗为68mW。从仿真结果来看,本设计电路可以稳定工作在2.5Gbps的速率下,符合ITU-T国际标准中对STM-16级别的要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 研究背景  9-12
    1.1.1 光纤通信系统简介  9-10
    1.1.2 光纤传输系统  10-11
    1.1.3 光纤通信标准和协议  11-12
    1.1.4 光纤通信系统的性能指标  12
  1.2 国内外的研究现状  12-13
  1.3 研究的目的和意义  13
  1.4 论文组织  13-14
第2章光纤通信中的基本概念  14-19
  2.1 非归零码（NRZ）  14-15
  2.2 相位噪声  15-17
  2.3 抖动  17-18
  2.4 误码率  18
  2.5 本章小结  18-19
第3章 CDR基本结构和原理分析  19-42
  3.1 时钟数据恢复电路与锁相环原理  19-22
    3.1.1 锁相环基本原理  19-20
    3.1.2 时钟数据恢复电路的概念  20-21
    3.1.3 时钟数据恢复电路和锁相环的比较  21-22
  3.2 CDR的主要结构  22-23
    3.2.1 CDR的实现方式  22
    3.2.2 基于PLL的CDR的分类  22-23
  3.3 CDR主要功能模块  23-37
    3.3.1 鉴相器原理  23-26
    3.3.2 鉴频器原理  26-28
    3.3.3 压控振荡器  28-32
    3.3.4 电荷泵原理  32-35
    3.3.5 环路滤波器  35-37
  3.4 CDR环路的线性分析  37-41
    3.4.1 CDR的线性化模型  37-38
    3.4.2 CDR线性分析  38-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章 2.5Gbps时钟数据恢复电路设计  42-63
  4.1 本设计所采用的CDR整体结构  42-43
  4.2 鉴相器设计  43-47
    4.2.1 半速率鉴相器设计  43-46
    4.2.2 子电路的实现  46-47
  4.3 鉴频器的设计  47-52
    4.3.1 半速率鉴频器  47-51
    4.3.2 子电路的设计  51-52
  4.4 压控振荡器的设计  52-57
    4.4.1 传统延迟单元结构  53-56
    4.4.2 压控延迟单元设计  56-57
  4.5 电荷泵的设计  57-61
    4.5.1 传统电荷泵结构  58-59
    4.5.2 全差分电荷泵  59-61
  4.6 低通滤波器设计  61-62
    4.6.1 相位裕度和环路带宽  61
    4.6.2 二阶无源滤波器设计  61-62
  4.7 本章小结  62-63
第5章时钟数据恢复电路的仿真与分析  63-72
  5.1 鉴相器的仿真与分析  63-64
  5.2 鉴频器的仿真与分析  64-66
  5.3 VCO的仿真与分析  66-68
  5.4 电荷泵的仿真与分析  68-69
  5.5 系统仿真与分析  69-71
  5.6 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-77
致谢  77

基于PLL的时钟数据恢复电路设计

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