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光纤传输系统用超高速时钟恢复集成电路研究

仇应华  
【摘要】: 随着通信技术的飞速发展,光纤通信成为当前研究的热点。光纤传输系统集成电路的研究则是热点中的热点。时钟数据恢复电路是光纤传输系统集成电路的关键部分,它的最高工作速率制约着整个通信系统的最高工作速率,因此超高速时钟恢复电路的研究有着举足轻重的地位。 本文首先从理论上讨论了时钟恢复电路的基本原理与构造,重点放在时钟恢复电路的核心-锁相环的原理和构造上。设计了锁相环电路的行为级仿真程序。然后研究了时钟恢复电路的噪声问题,特别针对锁相环的噪声问题作了详细的分析。最后分析了超高速集成电路的一些关键问题:互连线寄生模型分析、传输线行为分析和高频补偿技术等问题。 研究了注入同步锁相环式时钟恢复电路,采用0.2μm GaAs PHEMT工艺实现了工作在10Gb/s速率上的单片时钟恢复电路和预处理电路。实际测试表明,预处理电路在8-12Gb/s的频带内稳定工作,在输入速率为10Gb/s、长度为223-1伪随机序列的情况下,提取出的输出信号的均方根抖动为1.18ps。单片时钟恢复电路在输入速率为8.2Gb/s、长度为223-1伪随机序列的情况下,恢复时钟的均方根抖动仅为1.6ps。 研究了电荷泵锁相环型时钟恢复电路,提出了采用半速率鉴相器、四相位环形电流控制振荡器、电荷泵和环路滤波器组成的半速率锁相环型时钟恢复电路。采用0.18μm CMOS工艺实现了5Gb/s单片时钟恢复电路。输入速率为5Gb/s长度为211-1的伪随机序列时,恢复出的时钟均方根抖动为4.7ps。 研究了40Gb/s速率上的超高速时钟恢复电路设计,采用的0.2μm GaAs PHEMT工艺实现了工作在37Gb/s速率上的单片时钟恢复电路和37GHz的单片锁相环电路。37GHz的单片锁相环电路的锁定范围为32MHz,锁定时在偏离中心频率10kHz处的相位噪声为-88.83dBc/Hz。37Gb/s单片时钟恢复电路恢复出的时钟均方根抖动由测试可推知远远优于1.68ps。 论文作了多项开创性的工作,在5Gb/s和10Gb/s速率上的时钟恢复电路取得了国内最优测试结果,填补了国内40Gb/s时钟恢复电路和40GHz锁相环电路研究的空白。对于我国研究具有自主知识产权的下一代光传输核心芯片有着重要的学术和实用价值。


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