[论文解读] Development of A 16:1 serializer for data transmission at 5 Gbps

S. Hou, Z. Liang+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Advancements in PLL and VCO Technologies参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出了一款专为高能物理实验典型辐射环境设计的16:1串行器ASIC，支持5 Gbps数据传输。采用0.25 µm硅基蓝宝石CMOS工艺制造，功耗为500 mW，峰值-峰值确定性抖动为54 ps，随机抖动RMS小于3 ps，实现了高速、低功耗的光学链路，适用于LHC探测器升级。

ABSTRACT

Radiation tolerant, high speed and low power serializer ASIC is critical for optical link systems in particle physics experiments. Based on a commercial 0.25 um silicon-on-sapphire CMOS technology, we design a 16:1 serializer with 5 Gbps serial data rate. This ASIC has been submitted for fabrication. The post-layout simulation indicates the deterministic jitter is 54 ps (pk-pk) and random jitter is 3 ps (rms). The power consumption of the serializer is 500 mW. The design details and post layout simulation results are presented in this paper.

研究动机与目标

• 解决下一代粒子物理实验中对高速、低功耗、抗辐射串行器的需求。
• 克服现有GOL和G-link芯片在功耗和数据速率方面无法满足LHC超级升级需求的局限性。
• 在每个前端板上实现最小功耗预算的100 Gbps光学数据链路。
• 利用0.25 µm硅基蓝宝石（SoS）CMOS技术提升抗辐射能力与速度。
• 设计一款高速串行器，具备低抖动特性，并对单粒子效应（SEE）具有强鲁棒性。

提出的方法

• 采用16:1多路复用器架构，包含四级级联的2:1多路复用器级，使用具有对称互补时钟信号的静态D-触发器，实现高速运行。
• 实现一个具有压控振荡器（VCO）、电荷泵和低通滤波器的锁相环（PLL），生成精确的、相位锁定的时钟信号，频率分别为312.5 MHz、625 MHz、1.25 GHz和2.5 GHz。
• 采用具有四级结构和20 mA偏置电流的电流模式逻辑（CML）驱动器，以驱动50 Ω传输线，确保5 Gbps速率下的信号完整性。
• 集成LVDS接收器，将差分输入信号转换为CMOS电平以供处理。
• 应用抗辐射加固技术，包括增大晶体管尺寸和使用静态D-触发器，以增强对单粒子效应（SEE）的免疫能力。
• 将多路复用器与PLL的电源和地网络分开，以最小化噪声耦合和抖动。

实验结果

研究问题

• RQ1 16:1串行器能否在抗辐射环境中实现5 Gbps数据速率，且功耗低于500 mW？
• RQ2 在0.25 µm SoS CMOS工艺中，5 Gbps串行器可实现的抖动性能（确定性和随机抖动）如何？
• RQ3 键合线电感如何影响CML驱动器输出的带宽和信号完整性？
• RQ4 在高速多路复用器级中，D-触发器使用对称互补时钟信号是否可实现超过2 GHz的运行？
• RQ5 在后续设计中，通过共享单个PLL给多个串行器，功耗可降低多少？

主要发现

• 串行器实现了5 Gbps的串行数据速率，总功耗为507 mW，其中16:1多路复用器功耗238 mW，PLL功耗173 mW，CML驱动器功耗96 mW。
• 版图后仿真显示确定性抖动为54 ps（pk-pk），表明出色的定时稳定性。
• 随机抖动估计低于3 ps（RMS），主要来源于VCO相位噪声，表明定时抖动极低。
• CML驱动器在1 mm键合线长度下实现3 dB带宽5.5 GHz，而在5 mm键合线长度下下降至3.6 GHz，凸显了使用短互连的重要性。
• 眼图仿真显示眼图清晰打开，5 Gbps下输出峰峰值幅度超过400 mV，证实了信号完整性。
• 该设计采用0.25 µm SoS CMOS工艺制造，具备高速运行能力（fT = 90 GHz）和对粒子物理应用的增强抗辐射性能。