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鐘控制的比較器，因其具有檢測小擺幅信號并將其快速放大為全擺幅邏輯信號的功能，被廣泛用于各種數(shù)字及模擬電路中，例如存儲器、數(shù)據(jù)接收器等。本文設(shè)計的靈敏放大器是高速接口JESD204B模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。對于靈敏放大器的設(shè)計，需要考慮失調(diào)、速度、功耗等相關(guān)性能指標(biāo)。因為光刻技術(shù)和隨機摻雜波動在納米器件制造時會引起工藝偏差^[1]，導(dǎo)致相同器件之間出現(xiàn)參數(shù)失配，影響電路性能。可從結(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，可對時序控制電路進(jìn)行優(yōu)化^[6]；雖說靈敏放大器的性能在不斷地優(yōu)化，但納米級晶體管給CMOS電路的設(shè)計帶來了一定的影響^[7]，因此針對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鐘信號頻率下，結(jié)合相關(guān)的電路性能指標(biāo)，設(shè)計了一種采用兩級預(yù)放大結(jié)構(gòu)以及AB類鎖存器電路的靈敏放大器，各項性能有所改善。

1 靈敏放大器的設(shè)計

1.1 靈敏放大器整體架構(gòu)

    本文設(shè)計的靈敏放大器電路，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。電路通過時鐘信號CLK控制，當(dāng)CLK為高電平時電路進(jìn)入復(fù)位階段，當(dāng)CLK為低電平時電路進(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)，在輸出信號電壓差恒定時，失調(diào)電壓與增益成反比。因此將放大器設(shè)置為兩級。第一級預(yù)放大電路如圖2所示，是一個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，因此如何降低器件的失配顯得尤為重要。為此可采用長溝道的晶體管作為輸入對管來解決此問題，并且具有以下兩個好處：

其中t_ox為管子?xùn)叛鯇雍穸取為管子溝道寬度、L為管子溝道長度。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。跨導(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。

    第二級預(yù)放大電路如圖3所示。本級尾電流晶體管M10的柵極與時鐘信號相連，因此當(dāng)時鐘信號CLK為低時，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。同時輸入對管依舊采用長溝道晶體管，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)上增添了兩個由時鐘信號控制的預(yù)放電管M15、M18和開關(guān)管M19、M20、M21。當(dāng)CLK為低電平時，M16、M17與M22、M23分別交叉連接形成正反饋單元，此時靈敏放大器對輸入信號進(jìn)行放大。當(dāng)CLK為高電平時，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)致本級輸入端對地的直流通路關(guān)斷；預(yù)放電管M15、M18導(dǎo)通，將節(jié)點a、b處的電壓強行拉至低電平，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SR觸發(fā)器的兩個邏輯電平，削弱了CMOS鎖存電路的存儲效應(yīng)，減小了遲滯，同時也減小了過驅(qū)動電壓的恢復(fù)時間，從而降低了靈敏放大器的傳輸延時。

1.4 靈敏放大器輸出級

    輸出級一般為功能器件，這樣可以為負(fù)載提供更穩(wěn)定的信號。通過本級電路不僅能夠加強信號的強度，也對整體電路有保護(hù)作用^[9]。因此本文采用SR鎖存器作為輸出級。

2 電路仿真及版圖設(shè)計

    所設(shè)計電路采用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vinn和vinp均為正弦信號。電路的基本功能為：當(dāng)輸入信號vinn大于vinp時，輸出信號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)電壓與傳輸延時仿真

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

    定義信號的上升延時為t_PLH，下降延時為t_PHL，則靈敏放大器的傳輸延時為：

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

2.3 電路的Monte Carlo仿真

    在CMOS模擬集成電路設(shè)計中，需要重點考慮由工藝變化帶來的規(guī)格誤差^[10]。本文分別對時鐘頻率為5 GHz、輸入信號擺幅為0.4 mV以及時鐘頻率為10 GHz、輸入信號擺幅為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)計中，需要設(shè)計者保證器件能在某個可控的范圍之內(nèi)。通常這個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，每個電源電壓下再分別設(shè)置仿真溫度為-20 ℃、0 ℃、27 ℃、100 ℃，每個溫度下再分別添加工藝角tt、ss、ff、snfp、fnsp，最后將時鐘頻率設(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

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

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，但是在時鐘頻率、失調(diào)電壓、傳輸延時等方面卻較優(yōu)。綜上所述，本文所設(shè)計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、低功耗等優(yōu)點。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。

參考文獻(xiàn)

[1] YEUNG J，MAHMOODI H.Robust sense amplifier design under random dopant fluctuations in nano-scale CMOS technologies[C].2006 IEEE International SOC Conference.IEEE，2006：261-264.

[2] 田嘯，何燕冬.6.25 Gb/s串行數(shù)據(jù)接收器設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機，2017，34(7)：119-122.

[3] SHAKIR T，RENNIE D，SACHDEV M.Integrated read assist-sense amplifier scheme for high performance embedded SRAMs[J].Midwest Symposium on Circuits & Systems，2010：137-140.

[4] 張華.一種低壓高速靈敏放大器電路的設(shè)計[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2015(1)：94-99.

[5] 寧源.2.5 Gbps高速VML接口電路的設(shè)計與研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2015.

[6] 朱婷，夏建新，蔣見花.高速低功耗電流型靈敏放大器的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(2)：157-160.

[7] RAZAVI B.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[8] PHILLIP E A，DOUGLAS R H.CMOS模擬集成電路設(shè)計(第2版)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[9] SCHINKEL D，MENSINK E，et al.A double-tail latch-type voltage sense amplifier with 18 ps Setup+Hold time[C].Solid-State Circuits Conference，2007.ISSCC 2007.Digest of Technical Papers.IEEE International.IEEE，2007：314-605.

[10] 秦睿.基于0.18 μm CMOS工藝的比較器設(shè)計[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué)，2014.

[11] 韋雪明.高速SERDES接口芯片設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[12] 彭宣霖，李航標(biāo)，陳劍洛，等.一種高速低功耗動態(tài)比較器設(shè)計[J].微電子學(xué)，2014，44(5)：601-605.

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）