数模混合集成电路设计
第六章 SERDES混合电路
刘 畅
中国科学院微电子研究所
liuchang2021@ime.ac.cn
1
课程安排
第1节 高速接口混合电路概述
第2节 信道
第3节 高速接收混合电路
第4节 均衡器与自适应算法
第5节 时钟数据恢复电路
第6节 高速发射混合电路
第7节 系统考量与设计
2
www.ime.ac.cn
课程安排
第1节 高速接口混合电路概述
3
www.ime.ac.cn
高速接口应用背景
➢ 应用广泛：
从高端计算系统到芯
片互连
➢ 互连技术：
• 电学接口
• 光学接口
大型服务器
计算密集型芯片高速互连
4
城域高速互连
Chiplet高速互连
www.ime.ac.cn
高速接口发展趋势
5
www.ime.ac.cn
高速接口发展趋势
➢ 高速带宽拓展
NRZ / PAM2
PAM4
[Zhou Opt. Fiber Tech. 2017]
• 海量数据传输要求单通道速率不断提高
• PAM4调制提供了更高的频谱利用率 ( >50Gbps )
6
www.ime.ac.cn
通用接口：并行接口 & 串行接口
并行接口
串行接口
➢ 通过并行路线同时传递多路数据
√ 传输效率高
× 长距离、高速传输，串扰严重
➢ 通过串行路线逐比特传递数据
√ 长距离、高速传输
× 传输效率低
➢ 应用：打印机连接
(Line Print Terminal, LPT)
➢ 应用广泛
☺
7
www.ime.ac.cn
高速串行接口
X99
CPU
FSB
Graphics
HDD
PCIe
DDR
Memory
Bridge
SATA
PCIe
Memory
Gb Ethernet
I/O
Bridge
USB
http://chancheng.1688.com/offer/616400876893.html
➢ 电脑主板汇聚大量高速IO接口
➢ 速度瓶颈：存储器和图形界面的高速接口速度（FSB\PCIe）
8
www.ime.ac.cn
常见高速串行接口
PCIe
(Peripheral Component Interconnect Express)
DDR (Double Data Rate)
➢ 动态存储器数据接口
➢ 发展代系(Max DR)：
➢ 高速串行计算机扩展总线标准
➢ 发展代系(Max DR/Lane)：
DDR: 400Mbps
DDR2: 800Mbps
DDR3: 1600Mbps
DDR4: 3200Mbps
DDR5: 6400Mbps
PCIe 1.0: 2.5 GT/s (NRZ)
PCIe 5.0: 32 GT/s (NRZ)
PCIe 6.0: 64 GT/s (PAM4)
SATA
(Serial Advanced Technology Attachment)
USB
(Universal Serial Bus)
➢ 机械硬盘串口
➢ 发展代系(Max DR/Lane)：
➢ 通用串行接口
➢ 发展代系(Max DR/Lane)：
USB 1：12 Mb/s
USB 2：480 Mb/s
USB 3：20 Gb/s (Type C)
USB 4：40 Gb/s (雷电接口)
SATA 1.0: 1.5 Gb/s
SATA 2.0: 3 Gb/s
SATA 3.0: 6 Gb/s
9
www.ime.ac.cn
常见高速串行接口
HDMI
(High Definition Multimedia Interface)
DP
(Display Port)
➢ 全数字化视频和声音接口
➢ 发展代系(Max DR)：
➢ 全数字化视频和声音接口
➢ 发展代系(Max DR)：
DP 1.1: 10.8 Gb/s
DP 1.2: 21.6 Gb/s
DP 1.4: 32.4 Gb/s
DP 2.0: 80 Gb/s
HDMI 1.4: 10.2 Gb/s
HDMI 2.0: 14 Gb/s
HDMI 2.1: 48 Gb/s
LVDS
(Low Voltage Differential Signaling)
MIPI
(Mobile Industry Processor Interface)
➢ 起源于，LVDS接口电路位于液晶彩电
Scaler电路与液晶面板之间
➢ 广泛推广应用
➢ 分类与速率(655 Mb/s)：
➢ 主要用于移动设备和嵌入式系统中
➢ 发展代系(Max DR)：
D-PHY：1.5 Gb/s
C-PHY： 6 Gb/s
6 位 LVDS
8 位 LVDS
M-PHY：11.6 Gb/s
10
www.ime.ac.cn
Chiplet中的高速互连
➢ 什么是Chiplet？
www.ime.ac.cn
Chiplet中的高速互连
12
www.ime.ac.cn
Chiplet中的高速互连主流接口协议
➢ In Package D2D (Die to Die) Connections
1、单端传输
• 主要协议：UCIE (Universal Chiplet Interconnect Express)
AIB (Advanced Interface Bus)
BOW (Bunch of Wires)
OPEN HBI (Open High-Bandwidth Interconnect )
• 特点：≤ 32Gbps；NRZ模式； ≤ 25 mm (标准)， ≤ 100 mm (高级)；延时\
功耗\数据密度高
2、差分传输
• 主要协议：OIF-CEI-XSR (OIF-CEI Extra Short Reach)
• 特点：56~112 Gbps；PAM4模式； ≤ 40 mm ；延时\功耗\数据密度中等
➢ Off Package SERDES
• 主要协议：OIF-CEI-(VSR, MR, LR)
• 特点：5~112 Gbps；NRZ/PAM4；LR ≤ 100 cm ；延时\功耗高，数据密度低
13
www.ime.ac.cn
高速串行接口
[ S. Palermo ]
14
www.ime.ac.cn
电学背板信道
➢ 频率相关损耗
—— 耗散 & 反射
➢ 同频率信道干扰 (Co-Channel Interference)
—— 远端 (Far-End, FEXT) & 近端 (Near-End, NEXT) 串扰
15
www.ime.ac.cn
信道影响
➢ 信道冲激响应
信号名称
f(t)
冲激函数
频谱函数 F(jW)
波形图
时间函数 f(t)
|F(jW)|
(E)
Ed (t)
0
频谱图
E
E
0
t
|F(jW)|
W
f(t)
(E)
E
0
W
0
理想无衰减全通信道
频域响应
t
理想无衰减全通信道
时域冲激响应
16
www.ime.ac.cn
信道影响
➢ 信道冲激响应
信号名称
时间函数 f(t)
f(t)
冲激函数
频谱函数 F(jW)
波形图
|F(jW)|
(E)
Ed (t)
0
频谱图
E
E
t
0
W
[ Meghelli (IBM) ISSCC 2006 ]
17
www.ime.ac.cn
信道影响
(before channel)
18
www.ime.ac.cn
信道影响
19
www.ime.ac.cn
信道影响
Eye Opening
DFE: Decision Feedback Equalizer
FFE: Feedforward Equalizer
[ Meghelli (IBM) ISSCC 2006 ]
20
www.ime.ac.cn
课程安排
第2节 信道
21
www.ime.ac.cn
目录
❑ 信道组成
—— IC封装、PCB板、连接器、通孔、线缆
❑ 导线模型
—— 阻性、容性、感性
❑ 信道S参数及瞬态仿真
—— 冲激响应、眼图、码间干扰
❑ 信道脉冲模型及调制方式
—— 脉冲响应、峰值失真分析、调制方式分析
22
www.ime.ac.cn
信道组成
23
www.ime.ac.cn
IC封装形式
➢ 封装形式取决于应用需求与管脚数目
➢ 提高数据速率/管脚
封装形式
SOP
QFP
BGA
FC-BGA
引脚数
Small Outline Package (SOP)
8 – 56
Quad Flat Package (QFP)
64 – 304
Ball Grid Array (BGA)
256 – 900
Flip Chip Ball Grid Array (FC-BGA)
1089 – 2116
24
www.ime.ac.cn
IC封装形式
➢ Wirebonding 是最常见的芯片封装形式
Standard Wirebond Package
➢ 倒封装具有更好的散热特性
Flip-Chip/Wirebond Package
➢ 2D Solder Ball阵列封装具有更高的信号
密度、更低的信号及电源阻抗
Flip-Chip/Solder Ball Package
25
www.ime.ac.cn
IC封装模型
➢ Bondwires
— L ~ 1 nH/mm
— Ccouple ~ 20 fF/mm
26
www.ime.ac.cn
PCB板
➢ 微带线
× 暴露于PCB表面
× 不同信道信号易串扰
√ 传输速度快
➢ 带状线
× 由于被包裹，周围介电常数较大，传输速度低
√ 不会向外辐射能量
√ 不易受到外面能量干扰
27
www.ime.ac.cn
连接器
➢ 连接器主要用于板间信号传输互连
➢ 典型差分针密度为16~32对/10mm2
➢ 信号间串扰是连接器引入的最主要问题
28
www.ime.ac.cn
通孔
[S. Palermo]
➢ 连接器上的Via Stubs会严重影响信号完整性、需要做特殊处理！
29
www.ime.ac.cn
通孔
30
www.ime.ac.cn
线缆
28AWG_5m
28AWG_7m
34AWG_2m
34AWG_5m
➢ 较之PCB trace，常规线缆具有更大衰减
31
www.ime.ac.cn
目录
❑ 信道组成
—— IC封装、PCB板、连接器、通孔、线缆
❑ 导线模型
—— 阻性、容性、感性
❑ 信道S参数及瞬态仿真
—— 冲激响应、眼图、码间干扰
❑ 信道脉冲模型及调制方式
—— 脉冲响应、峰值失真分析、调制方式分析
32
www.ime.ac.cn
导线模型—阻性
➢ 导线阻抗取决于导线材料电阻率ρ、几何形状
➢ 导线阻抗造成了信号衰减与传播延时
𝑹=
𝝆𝒍
𝝆𝒍
=
𝑨 𝒘𝒉
𝑹=
𝝆𝒍
𝝆𝒍
=
𝑨 𝝅𝒓𝟐
* 方块电阻：正方形材料边到边的电阻，只与材料厚度相关
33
𝑹𝒔 =
𝝆
𝒉
𝑹 = 𝑹𝒔
𝒍
𝒘
www.ime.ac.cn
导线模型—容性
➢ 导线容性阻抗取决于导线材料介电常数e、几何形状
➢ er越低，导线电容越低、信号传播速度越快
平行板
同轴线
𝒘𝜺𝒓
𝑪=
𝒔
𝟐𝝅𝜺𝒓
𝑪=
𝒍𝒐𝒈(𝒓𝟐 /𝒓𝟏 )
导线对
𝑪=
34
𝝅𝜺𝒓
𝒔
𝒍𝒐𝒈(𝒓)
微带线 (地平面上)
𝒘𝜺𝒓
𝟐𝝅𝜺𝒓
𝑪=
+
𝟒𝒔
𝒔
𝒍𝒐𝒈( )
𝒉
www.ime.ac.cn
导线模型—感性
➢ 导线感性阻抗取决于导线材料磁导率m、闭环几何形状
➢ 处于均匀介质中间的导线
𝑪𝑳 = 𝜺𝒓 𝝁
35
www.ime.ac.cn
导线模型
➢ 模型种类
• 理想
Ideal
• 集总模型R, L, C
RC line
——RC传输线模型
——LC传输线模型
• RLGC 全波模型
➢ 选用LC或RLGC的条件
Wire
LC line
RLGC line
𝑹
𝒇𝟎 ≥
𝟐𝝅𝑳
R
L
C
> f (LC wire)
AWG24 Twisted Pair
0.08 W/m
400 nH/m
40 pF/m
32 kHz
PCB Trace
5 W/m
300 nH/m
100 pF/m
2.7 MHz
On-Chip Min. Width M6 (180nm CMOS)
40 kW/m
4 mH/m
300 pF/m
1.6 GHz
36
www.ime.ac.cn
目录
❑ 信道组成
—— IC封装、PCB板、连接器、通孔、线缆
❑ 导线模型
—— 阻性、容性、感性
❑ 信道S参数及瞬态仿真
—— 冲激响应、眼图、码间干扰
❑ 信道脉冲模型及调制方式
—— 脉冲响应、峰值失真分析、调制方式分析
37
www.ime.ac.cn
S参数 (Scattering Parameter)
➢ S参数，也称为散射参数，是微波传
输中的一个重要参数，用于描述多端
口网络在高频下的频域特性
➢ S参数矩阵反映了网络端口的入射电
压波和反射电压波的关系
➢ 与Y参数、Z参数相比，S参数便于测
量，不需要开路、短路等测试条件
38
www.ime.ac.cn
S参数 (Scattering Parameter)
[Agilent]
𝒃𝟏
ቤ
𝒂𝟏 𝒂 =𝟎
2端口接匹配负载时向1端口看进去的反射系数
𝒃𝟐
𝐒𝟐𝟐 = ቤ
𝒂𝟐 𝒂 =𝟎
1端口接匹配负载时向2端口看进去的反射系数
𝒃𝟐
𝐒𝟐𝟏 = ቤ
𝒂𝟏 𝒂 =𝟎
2端口接匹配负载时从1端口到2端口的传输系数
𝒃𝟏
ቤ
𝒂𝟐 𝒂 =𝟎
1端口接匹配负载时从2端口到1端口的传输系数
𝐒𝟏𝟏 =
𝟐
𝟏
𝟐
𝐒𝟏𝟐 =
𝟏
39
www.ime.ac.cn
信道S参数
34AWG_2m S参数
理想信道具有对称互易性：S12=S21, S11=S22
40
www.ime.ac.cn
信道冲激响应
➢ 信道冲激响应主要用于：
• 时域建模仿真
• 链路分析
X(w)
H(w)
x(t)
h(t)
Y(w)
y(t)
𝐘(𝛚) = 𝐇 𝛚 𝐗(𝛚)
∞
𝒉 𝒕 = 𝑭−𝟏 {𝑯(𝝎)}
𝒚 𝒕 = 𝒉 𝒕 ∗ 𝒙 𝒕 = න 𝒉 𝒕 − 𝝉 𝒙(𝝉)
−∞
41
www.ime.ac.cn
基于S参数生成信道冲激响应
➢ 逆傅里叶变换：
𝒉 𝒕 = 𝑭−𝟏 {𝑺(𝝎)}
➢ 通过iFFT生成冲激响应：
➢ 通过FFT对比S参数：
42
www.ime.ac.cn
不同信道的冲激响应
43
www.ime.ac.cn
信道时域响应
∗
44
www.ime.ac.cn
眼图
45
www.ime.ac.cn
眼图 vs 数据速率
46
www.ime.ac.cn
眼图 vs 信道
47
www.ime.ac.cn
码间干扰 (Inter-Symbol Interference, ISI)
➢ 前一比特留存状态对于当前数据的影响，造成了码间干扰 (ISI)
➢ 反射、信道衰减等非理想效应都会造成码间干扰
48
www.ime.ac.cn
ISI 影响
➢ 当数据经信道传播时，信道衰减造成了严重的ISI，进而导致眼图
在抵达RX输入时闭合
49
www.ime.ac.cn
目录
❑ 信道组成
—— IC封装、PCB板、连接器、通孔、线缆
❑ 导线模型
—— 阻性、容性、感性
❑ 信道S参数及瞬态仿真
—— 冲激响应、眼图、码间干扰
❑ 信道脉冲模型及调制方式
—— 脉冲响应、峰值失真分析、调制方式分析
50
www.ime.ac.cn
信道脉冲响应
➢ 脉冲响应
𝒚 𝟏 𝒕 = 𝒄 𝟏 𝒕 ∗ 𝒉(𝒕)
51
www.ime.ac.cn
NRZ数据模型
➢ NRZ数据流可被建模为多个独立的“1”和“0”
52
www.ime.ac.cn
NRZ数据模型
➢ NRZ数据流可被建模为多个独立的“1”和“0”
53
www.ime.ac.cn
NRZ数据模型
➢ NRZ数据流信道响应可等效为每一个独立数据的脉冲响应
54
www.ime.ac.cn
信道脉冲响应
55
www.ime.ac.cn
信道数据流响应
56
www.ime.ac.cn
信道FIR模型
(𝟏)
𝒄𝟎
𝒕
H
𝟏
𝑯 𝒄𝟎
57
𝒕
(𝟏)
= 𝒚𝟎
𝒕
www.ime.ac.cn
峰值失真分析
58
www.ime.ac.cn
峰值失真分析——脉冲响应
ISI+
precursor
cursor
ISI-
postcursor
59
www.ime.ac.cn
峰值失真分析_Worst Case 0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
𝑽𝑾𝑪𝟎 = ෍ 𝑰𝑺𝑰 +
60
www.ime.ac.cn
峰值失真分析_Worst Case 1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
𝑽𝑾𝑪𝟏 = 𝒄𝒖𝒓𝒔𝒐𝒓 + ෍ 𝑰𝑺𝑰 −
61
www.ime.ac.cn
峰值失真分析_Worst Case
Vth
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
62
1
1 1
0
0
0 0 0
0
0
0
www.ime.ac.cn
峰值失真分析_Worst Case
Worst Case 1
Vth
Worst Case 0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1 1
0
0
0 0 0
0
0
0
Eye Opening
𝑽𝑾𝑪 = 𝑽𝑾𝑪𝟏 − 𝑽𝑾𝑪𝟎 = 𝒄𝒖𝒓𝒔𝒐𝒓 + ෍ 𝑰𝑺𝑰 − − ෍ 𝑰𝑺𝑰 +
= 𝒄𝒖𝒓𝒔𝒐𝒓 − ෍ 𝑰𝑺𝑰 − − ෍ |𝑰𝑺𝑰 + | = 𝒄𝒖𝒓𝒔𝒐𝒓 − ෍ 𝑰𝑺𝑰
63
www.ime.ac.cn
峰值失真分析_Worst Case
2
16
-3
4
-1
4
0.5
Worst Case Eye Opening
𝑽𝑾𝑪 = 𝑽𝑾𝑪𝟏 − 𝑽𝑾𝑪𝟎 = 𝒄𝒖𝒓𝒔𝒐𝒓 − ෍ 𝑰𝑺𝑰 = 𝟏𝟔 − 𝟐 + −𝟑 + 𝟒 + −𝟏 + 𝟒 + 𝟎. 𝟓
64
= 𝟏. 𝟓
www.ime.ac.cn
调制方式分析——数据速率与带宽
1UI
NRZ DATA1:
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
T
NRZ DATA2:
➢ NRZ Data Rate (DR) & Bandwidth (BW)
• 奈奎斯特带宽：理论上无ISI最小带宽， BW = DR/2
• BW四分之一速率（Quarter Rate）: BW = DR/4 （低功耗、高速）
65
www.ime.ac.cn
调制方式分析——数据速率与带宽
1UI
11
PAM4 DATA1:
10
01
00
T
NRZ DATA2:
➢ PAM4 Data Rate (DR) & Bandwidth (BW)
• 奈奎斯特带宽: BW = DR/4
Modulation
Bits/Symbol
Nyquist BW
NRZ
1
DR/2
PAM4
2
DR/4
66
www.ime.ac.cn
NRZ vs PAM4
➢ 当信道衰减速度超过了 20log(1/3)=-9.54dB/倍频程 时，应考虑采用PAM4调制
➢ 片上时钟速度受限时，应考虑采用PAM4调制
67
www.ime.ac.cn
NRZ vs PAM4
➢ 蓝色信道衰减速度 ≈ 2.7 dB/倍频程
➢ NRZ在电压裕度上更具优势
68
www.ime.ac.cn
NRZ vs PAM4
➢ 红色信道衰减速度 ≈ 15.8 dB/倍频程
➢ PAM4在电压裕度上更具优势
69
www.ime.ac.cn
谢 谢！
70