摘要：時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。文章介紹了一種半數(shù)字二階時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計方法，并進(jìn)行了仿真和驗證，結(jié)果表明，電路能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

　　1 引言

　　隨著數(shù)字系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)對計算量和通信速度的要求越來越高，傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)傳輸方式在速度上已經(jīng)不能滿足我們的需求，高速串行互連技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。

　　高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)器的發(fā)送器負(fù)責(zé)將低速的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速串行數(shù)據(jù)發(fā)到信道上，發(fā)送器利用本地鎖相環(huán)電路（PLL）提供必要的時間參考。信道會對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和疊加噪聲。接收器負(fù)責(zé)接收經(jīng)信道傳輸來的高速串行信號，并利用時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）技術(shù)從中提取出相位信息，對時鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，然后再將恢復(fù)出的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低速并行數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字終端。

　　2 時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)原理

　　本高速串行收發(fā)器采用的是一個半數(shù)字的二階時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 半數(shù)字雙環(huán)路的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)

　　由圖可見，系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成：內(nèi)環(huán)路和外環(huán)路。

　　內(nèi)環(huán)路是一個模擬的PLL，它的參考時鐘來自外部輸入。內(nèi)環(huán)路的帶寬可以設(shè)計的很寬，用來有效的抑制內(nèi)部VCO 噪聲，內(nèi)環(huán)路輸出一組多相時鐘。

　　外環(huán)路是一個數(shù)字環(huán)路，由Bang- Bang 鑒相器、數(shù)字濾波器和相位內(nèi)插器組成。鑒相器檢測輸入數(shù)據(jù)跳變沿和采樣時鐘之間的相位差。數(shù)字濾波器對鑒相器的輸出結(jié)果進(jìn)行濾波。內(nèi)環(huán)路輸出的多相時鐘作為相位內(nèi)插器的時鐘來源，數(shù)字濾波器的輸出控制相位內(nèi)插器產(chǎn)生采樣鐘。外環(huán)路的帶寬可以設(shè)計的很窄，從而有效濾除外部的輸入噪聲。這就通過雙環(huán)路解決了單環(huán)路的帶寬折衷問題。

　　3 電路設(shè)計

　　本文主要討論上述時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)外環(huán)路的設(shè)計與實現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)外環(huán)路結(jié)構(gòu)圖

　　輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過半速率的時鐘采樣后轉(zhuǎn)換成兩個10 比特的并行數(shù)據(jù)（data[9:0]，edge[9:0]），然后經(jīng)數(shù)字鑒相器比較產(chǎn)生相位判決信息。這個相位判決信息同時送給數(shù)字濾波器的比例和積分環(huán)節(jié)，產(chǎn)生相位控制信息送給相位內(nèi)插器。

　　下面將分別介紹數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器和相位內(nèi)插器。

　　3.1 鑒相器

　　本設(shè)計采用的是數(shù)字Bang- Bang 鑒相器，Bang- Bang 鑒相器不同于線性鑒相器，是屬于數(shù)字電路。它通過檢測相位差的極性來判斷相位是超前還是滯后。Bang- Bang 鑒相器要使用兩個采樣時鐘：

　　數(shù)據(jù)采樣時鐘和邊沿采樣時鐘。數(shù)據(jù)采樣時鐘用于采樣數(shù)據(jù)，它位于數(shù)據(jù)眼圖的中心位置。邊沿采樣時鐘位于數(shù)據(jù)跳變沿附近。由圖2 可以看出，模擬接收端的采樣器在采樣時鐘的控制下完成對高速數(shù)據(jù)和高速相位信息的采樣，并經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換電路輸出10位寬數(shù)據(jù)和10 位寬相位信息，送給本數(shù)字鑒相器，比較這兩個采樣時鐘采樣到的數(shù)據(jù)信息，可以判斷出相位是超前還是滯后。由于這兩個采樣電路采用相同的結(jié)構(gòu)，在采樣和鑒相之間沒有時間偏差，這就克服了傳統(tǒng)線性鑒相器存在時間偏差的問題。

　　鑒相器由五部分組成：寄存器、相位比較器、判決器1、判決器2 和累加器，其中：

　　寄存器：完成數(shù)據(jù)和相位信息位的寄存，用于與相應(yīng)位的比較；相位比較器：對數(shù)據(jù)和相位相鄰兩位進(jìn)行比較（位和位的寄存也要比較），兩兩比較，總共比較10 次；判決器1：對前5 次比較結(jié)果進(jìn)行判決，判斷數(shù)據(jù)與相位信息是超前、滯后還是同步；判決器2：對后5 次比較結(jié)果進(jìn)行判決，判斷數(shù)據(jù)與相位信息是超前、滯后還是同步；累加器：由于一幀數(shù)據(jù)分兩幀進(jìn)行判決，將兩次判決的結(jié)果進(jìn)行累加得到相位差值，此相位差以數(shù)字量的形式輸出。

　　鑒相器的判決真值表如表1 所示。

表1 鑒相器真值表

　　3.2 數(shù)字濾波器

　　數(shù)字濾波器利用累加器來實現(xiàn)模擬濾波器的積分器功能。累加器存儲著頻率偏差大小的信息，使得環(huán)路能夠動態(tài)地跟蹤輸入輸出之間的頻率偏差，從而保證采樣點始終處于相位。

　　數(shù)字濾波器可分為一階，二階和高階的數(shù)字濾波器。一階的數(shù)字濾波器只包含比例環(huán)節(jié)。二階的數(shù)字濾波器包含兩條支路：比例和積分環(huán)節(jié)。

　　本設(shè)計采用二階數(shù)字濾波器，其比例系數(shù)和積分系數(shù)的代碼實現(xiàn)如下（其中ph_err 是鑒相器送來的相位差信號）：

　　比例環(huán)節(jié)由當(dāng)前的相位判決信息決定，積分環(huán)節(jié)是以前相位信息的累加，這相當(dāng)于連續(xù)域中的積分，相位的積分對應(yīng)于頻率，從而使積分環(huán)節(jié)存儲著頻率偏差大小的信息。環(huán)路控制會在每個數(shù)字周期都加上這個頻率偏差大小的信息，使得采樣時鐘能跟上頻率偏差。

　　在設(shè)計積分環(huán)路時，我們的目標(biāo)是能跟上780ppm 的頻率偏差，積分累加器有11 位，只有的6 位直接參與的環(huán)路控制。對于積分累加器我們還做了防溢出處理，它的范圍在- 1/32UI 和+1/32UI 之間。這樣做的好處有兩個：一方面是為了防止環(huán)路引起振蕩，另一方面是防止相位內(nèi)插器產(chǎn)生毛刺。

　　3.3 相位內(nèi)插器

　　半數(shù)字的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)利用相位內(nèi)插器來實現(xiàn)VCO 的功能，相對于VCO 來說，相位內(nèi)插器的傳輸函數(shù)少了一個積分環(huán)節(jié)。這一個積分環(huán)節(jié)被放在前面的數(shù)字濾波器中來實現(xiàn)。

　　相位內(nèi)插器有多個相同頻率的輸入時鐘，這些輸入時鐘有著不同的相位。對輸入時鐘進(jìn)行相位插值得到輸出時鐘。相位插值的幅度由數(shù)字濾波器送來的控制字決定。它的傳輸函數(shù)是一個比例函數(shù)。

　　在功能實現(xiàn)上，相位內(nèi)插器相當(dāng)于一個相位的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。

　　4 仿真和測試結(jié)果

　　本高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片采用的工藝是65nm 數(shù)字CMOS 工藝。信號傳輸速率為3.125Gbps。整個芯片的面積大約為400*800μm。

　　輸入數(shù)據(jù)頻率為3.125Gbps，PLL 產(chǎn)生的時鐘頻率為1.5625GHz，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)的數(shù)字模塊的工作頻率為3.125GHz。

　　圖3 是利用VCS 進(jìn)行仿真的波形，圖中將內(nèi)部的重要信號顯示了出來。

圖3 時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的VCS 仿真波形

　　從CDR 仿真驗證可以得出，在數(shù)字鑒相器、數(shù)字濾波器和相位內(nèi)插器的共同作用下，CDR 能夠恢復(fù)出數(shù)據(jù)的相位信息，可以很好的滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹了一種應(yīng)用于高速串行收發(fā)器的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的設(shè)計方法，并且在VCS 環(huán)境下成功進(jìn)行了仿真，該時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)相比較于基于模擬鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)，帶寬可以做的很窄，特性穩(wěn)定，對工藝、溫度和電壓的變化不敏感，且可重用性好。