摘要：轨到轨输入预放大级是LVDS接收器设计的关键点之一，一般差分放大器只能满足有限的共模输入范围。结合LVDS接收器的特点，提出了一种接收器轨到轨输入级的电路设计，采用Chartered 0.18μm CMOS工艺和BSIM3V3模型，对电路进行了共模扫描、交流分析和瞬态分析，结果表明，该输入级电路在1.8V电源电压、500Mbps的传输速率下性能良好。
关键词：LVDS；轨到轨；共模电压；预衰减电路；非线性特性
中图分类号：TN4文献标识码：A
The Research and Design of an Input Stage
for Low-Supply LVDS Receiver
HU Xiong-feng, ZHENG Xue-ren
(Institute of Microelectronics of South China University of Technology,
Guangzhou 510641, China)
Abstract: Rail-to-rail input preamplifier stage is a key point in the design of LVDS receiver，common differential amplifiers have a limited common mode input range. The paper presents the design of an input stage of LVDS receiver, and with Chartered 0.18μm CMOS process and based on BSIM3V3 model, analyzes the circuit by DC/AC/TRAN simulation, the performance is desirable with 1.8V supply voltage and 500Mbps data rate.
Keywords: low-voltage differential signaling；rail-to-rail；common mode voltage； pre-attenuation circuit；non-linear characteristics
引言
随着集成电路工艺水平的不断进步，当今数字芯片数据处理速度越来越快，已经达到数GHz水平，而芯片间I/O接口的速度明显跟不上芯片内数据的处理速度，I/O接口电路的性能已经成为系统运行速度的瓶颈。同时，为了降低功耗，电源电压不断降低，减小了接口信号的噪声容限,使接口电路设计变得更加困难。LVDS（low-voltage differential signals）接口技术利用低摆幅差分信号的特点为这些问题提供了很好的解决方案。低电压摆幅意味着高速度，差分传输数据由并行传输改为串行传输而性能不变，具有高速度、低噪声、低功耗、低EMI等优点。
典型的点对点LVDS系统如图1所示：串行数字信号控制发送器恒定电流选择开关输出＋/－250～400mA的电流，在接收器终端电阻（100Ω匹配电阻）上产生共模电平1.2V、摆幅250～400mV的差分电压，接收器将检测到的低压差分信号还原为标准的数字信号输出。
LVDS接收器的功能是检测发送器传过来的低摆幅差分信号并将其转换为数字信号输出。对于LVDS接收器的设计，处理好输入共模电平变化对接收器输出信号的影响，是输入级设计的关键之一。为了尽量扩展接收器的共模电平输入范围，采用Rail-to-Rail输入结构是一种比较理想的解决办法，而通常使用的Rail-to-Rail放大器采用两级结构，输入级用PMOS和NMOS并联的互补差分输入对实现，采用电流镜技术控制偏置电流来维持跨导恒定，达到固定增益的目的，这种方法常用在高增益的运放中。本文在参考传统Rail-to-Rail设计方法的基础上，结合LVDS系统自身的特点，提出了一种电源电压为1.8V、通过使用二极管连接MOS管负载的非线性特性对跨导变化进行补偿从而稳定增益的结构，仿真表明这种结构在低电源电压下，有效地拓展了接收器输入共模信号的范围，实现了输入级所要求的低增益、高带宽。
1接收器设计
接收器接收到的共模信号的变化对接收器输出信号特性有重要的影响，如信号传输延迟、信号翻转时间和抖动等。尽管LVDS标准规定了发送器输出共模信号的范围为1.2V左右，但由于发送器系统和接收器系统之间可能存在的地电势差Vgpd，见图1，可能导致共模电压较大幅度变化，这要求接收端容许输入地到电源电压范围的共模电压，一般差分放大器的输入共模电压范围是有限的，因此必须考虑在差分至单端转换差放前端加入预处理电路，以保证轨到轨的共模输入下增益具有一定的稳定性。
为了满足共模电压最大范围变化条件下，稳定接收器性能，可在差分放大器前加入衰减级，简单的衰减电路如图2所示，采用电阻分压的方式将输入共模信号范围和差模信号同时减小50％（R1=R2），可以满足后级差分放大器共模范围的要求，但使用电阻会使芯片面积增大、成本升高，同时还会引入额外的延迟时间。
本文采用的轨到轨输入级可扩展共模输入范围，该电路基于CMOS工艺实现，采用互补差放并联输入的方式，在保证性能的前提下，可以大大缩减芯片面积，节约成本,同时降低功耗。因此，LVDS接收器的构成如图3所示，本文重点讨论轨到轨输入预放大级电路的原理和设计。
2轨到轨输入级的设计
为了满足高速LVDS接收器的设计要求，需要接收器输入级预放大电路在提供一定增益的前提下（增益要求不高，约2倍左右），达到尽可能高的单位增益频率。
本文所设计的轨到轨输入级电路结构如图4所示。
图4中，N沟道（M0、M1、M14）输入差放与P沟道（M2、M3、M15）输入差放并联，输出负载采用二极管连接方式的NMOS管（M4、M5）。该电路有三个工作区域，当共模输入电压向地电平方向变化时，PMOS差分对工作，NMOS差分对受到抑制直到停止，跨导为：
g■=■（1）
当共模输入电压在电源电压中间范围时，两个并联的差放同时工作，输入跨导为：
g■=■+■（2）
当输入共模电压向正电源方向变化时，NMOS差分对工作，PMOS输入差放受到抑制直到停止工作，此时的跨导为：
g■=■（3）
这样就实现了轨到轨输入的功能。
设计管子参数使gm,P＝gm,N, 可以看到这种轨到轨输入结构的跨导在三个工作区间有两倍的变化，若输出电阻恒定，则增益有两倍的变化，这种显著的变化会使接收器在三种输入共模电压范围下有明显不同的性能，但考虑到预放大级增益要求不高的情况，这里可以利用二极管连接负载的非线性特性补偿三个工作区转换时电路的跨导变化，以抑制增益的变化，起到稳定增益的作用。采用二级管连接方式的NMOS管作负载的差分放大器增益可表示为：
A■=■=■ （4）
其中gm是电路的总跨导，在三个不同工作区的值分别由式（1）（2）（3）确定，gL是二极管连接负载的跨导，IL是流过该负载的偏置电流。当输入共模电压在电源电压中间值附近时，两差放同时工作，负载偏置电流同时增大，即起到了稳定增益的作用。
此外，电流控制电路M16~M19、M20～M23控制M10~M13的偏置电流和输入互补差分对工作区的转换。在两差放同时工作时，P沟道输入差放的输出电流通过M6和M7引至N沟道晶体管的漏极与N沟道差放输出电流求和。
3仿真结果与讨论
电路采用Chartered 0.18μmCMOS工艺，基于BSIM3V3 Spice模型，采用Hspice对整个电路进行了仿真。电源电压为1.8V。
首先对电路输入共模电压为地到电源的线性电压，直流分析得到的输出共模电压稳定在1V左右，当共模电压在0.8V左右时，输出共模电压有最大20％的变化（图5,图6），这是下级差分至单端放大器完全可以接收的范围。在两并联差分放大器同时工作时，负载偏置电流增大，起到一定程度上稳定增益的作用。
电路交流小信号分析的结果如图7所示，采用三个工作区的不同共模信号输入（分别为0.3V、0.9V、1.5V）时，其小信号增益基本稳定在2倍左右，单位增益带宽达到500MHz以上（下一级的输入电容0.5pF）。
完整接收器主要输出参数有：信号上下沿翻转时间、传输延迟时间和抖动等，在负载电容为0.5pF的前提下，对输入共模电压扫描并进行瞬态分析（输入差分信号摆幅300mV），得到的仿真波形如图8。测量结果如下：在500Mbps的时钟信号速率下，翻转时间最大130ps, 传输延迟时间约850ps，抖动最大为100ps，基本满足LVDS标准。
4总结
本文基于LVDS的特点，提出了一种LVDS接收器Rail-to-Rail输入级的设计，并采用HSPICE仿真工具进行了仿真，基本达到了LVDS接收器要求。为了能更好地接收信号，电路还需要进一步完善,以尽可能减小抖动和延迟。
参考文献
[1]LVDS Owner"s Manual, National Semiconductor corp.,2004.
[2]Low-Voltage Differential Signaling Design Notes, Texas Instruments, September 2002.
[3][美]毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M]，西安：西安交通大学出版社，2003.
[4]Gunjan Mandal, Low-Power LVDS Receiver for 1.3Gbps Physical Layer(PHY) Interface
[5]Chung-Chih Hung, Mohammed -Ismail, Low
-Voltage Rail-to-Rail CMOS -Differential Dif
ference Amplifier, IEEE International Symposium on Circuit and Systems, June 9-12,1997, Hong Kong.
作者简介：胡雄锋（1979－），男，湖北天门人，硕士研究生，主要研究方向为模拟集成电路设计，E－mail: Huxfscut@tom.com。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
