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基于0.18μm CMOS工艺的低电压、低功耗、超高速集成电路设计

姜辉  
【摘要】: IT业在不断发展和革新的过程中,呈现出网络化、数字化、智能化、低功耗等几大特点和发展趋势。人们需要高速、宽带的通信网络来互通信息。光纤通信由于其自身的优势将逐步取代电缆通信。在光纤传输系统中,分接器处于光接收机的末端,将经过数据判决后得到的高速串行信号转变为并行的多路低速信号。因此,分接器是实现高速通信系统的重要部分,其性能直接影响到最后的输出信号。而在光纤通信及无线通信系统中,分接器必须由分频器将高速时钟变成低速时钟。在此情况下,超高速的分频器是工作在最高频率的电路之一,起着至关重要的作用。因此随着CMOS工艺的进步,基于CMOS工艺的超高速分频器的设计具有重大的现实意义。 本论文的主要目标是,采用特征频率仅为49GHz的0.18μm CMOS工艺,分析、研究并实现工作频率超过20GHz的1:4超高速分频电路以及采用相同工艺,分析、研究符合STM-64(9.952Gb/s)级别的低电压、低功耗1:4分接器,并在下一次MPW完成投片及测试工作。为了使电路性能达到低电压、低功耗与超高速的统一,本文采用一种改进型共栅结构的动态负载锁存器。基于该锁存器,设计并实现了超高速1:4分频器。在片测试结果表明:其最高工作速率可达26GHz,分频范围超过20GHz;封装后的测试结果表明:其最高工作速率达19.6GHz,且在预期的10GHz工作频率获得了较为理想的输出信号。本文同时采用同种工艺在1.2V的电源电压下完成了10Gb/s 1:4分接器的仿真和版图设计,后仿真结果表明其完全达到设计指标,且核心功耗仅为10mW。该芯片将于下次MPW中投片、完成测试。 本论文给出了分接器电路及分频器电路的基本原理并以电路设计、版图设计、芯片测试的顺序详细介绍了电路的设计流程及1:4超高速分频器的测试结果。在片测试及封装测试结果表明,采用该方案实现的低电压、低功耗、超高速分频器性能优良,完全达到设计要求,为产业化积累了经验,做出了贡献。


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