一种用于以太网收发器的基带漂移消除器的设计

张 帅，许圣全，于建旺，李正昊，邱益波，郑 燕

（华东计算技术研究所，上海　200233）



一种用于以太网收发器的基带漂移消除器的设计

张 帅，许圣全，于建旺，李正昊，邱益波，郑 燕

（华东计算技术研究所，上海200233）

摘 要：根据0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工艺提出了一种用于以太网收发器的基带漂移消除器的结构设计，该结构由电荷泵电路、OTA、电流补偿电路3部分组成。基带漂移消除器补偿了由于变压器的高通特性引起的基带漂移现象。仿真结果表明所设计的电路达到了以太网收发器的系统要求，很好地实现了对基带漂移的补偿。

关键词：基带漂移；以太网收发器；高通特性

1　引言

基带漂移消除器（baseline wander canceller）是100/1000 Base-TX以太网收发器的关键模块之一。为了充分利用频谱，减少某一频谱被干扰则整个信号受到干扰的可能，要把发射频谱平均分布到某一特定频率范围。使用发射数据随机化的扰码（Scramble）可以达到这一目的。然而，经过扰码后的数据仍然会出现输出长时间的0或者1。例如，在千兆以太网中，采用的是PAM-5编码方式，经过扰码的信号经过PAM-5编码，通过一个电磁模块（网络变压器）耦合到5类非屏蔽双绞线（Category 5 UTP）。这样，在千兆以太网的接收端，要面对经过双绞线衰减之后来自变压器的PAM-5编码信号[1]。由于变压器的高频交流通过特性，在它的截止频率50 kHz以下的能量将丢失。如果连续出现几个最长时间无数据状态，传输的数据将由于通过变压器，损失非常可观的低频能量[2]。

如图1所示，长时间的“-1”信号将导致收发器接收的电压逐渐收敛于其共模电压，在最差情况下，电压差分值将消失，收发器将不能正确分辨出“-1”、“0”或者“+1”信号。而且，当后面接收的数据突然变化时，接收端会发生幅值突变，跳出允许的正常电平范围。这种幅值突变将导致均衡器不能正确均衡处理，产生误码。这就是基带漂移（Baseline Wander）。因此以太网收发器接收电路必须对基带漂移进行补偿。

图1　基带漂移效应

本文根据0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工艺设计了一种用于以太网收发器的基带漂移消除器。与传统的基带漂移消除器相比较，结构更简单，基带漂移补偿能力强，补偿范围大，补偿运算准确。

2　电路设计

基带漂移消除器共由3部分组成：电荷泵电路、运算跨导放大器电路(OTA)、电流补偿电路。

图2　基带漂移消除器结构图

图2中，在开关S1、S2的控制下，电荷泵不断充放电，输出电压Vctrl，OTA将接收到的差分电压（Vref，Vctrl）转化为差分输出电流（IINP，IINN），IINP、IINN分别流过电流补偿电路的反馈电阻R2、R4，电阻R2、R4由电流IINP、IINN产生的压降即为基带漂移的补偿电压，此补偿电压与比例运算后的输入差分电压叠加，最终实现对基带漂移的补偿。Vref设置为1.25 V。

2.1电荷泵电路

图3 中，当对电荷泵充电时，控制信号up、down为低电平，M3导通，M4关断，共源共栅电流源M1、M2以电流I1对电容C1进行充电，电压Vctrl逐渐升高；当对电荷泵放电时，up、down为高电平，M4导通，M3关断，共源共栅电流漏M7、M8以电流I2对电容C1进行放电，I1=I2，电压Vctrl逐渐降低。因为节点电容Cps和Cns的存在，电容上的电荷能在MOS管关断的瞬间保持不变[3]。当控制信号由充电突然切换到放电时，M4立即导通，C1和Cns将分享电荷，如果Cns电压很低，电压Vctrl将发生剧烈的抖动，这种现象即电荷分享效应。类似的，当控制信号由放电突然切换到充电时，C1和Cps也存在电荷分享效应。为了解决电荷分享效应对电压Vctrl的影响，电荷泵中增加了镜像开关M5、M6，镜像电容C2和电压跟随器A3。当控制信号由充电突然切换到放电时，Cns电压为V’ctrl，由于A3的存在，Vctrl=V’ctrl，因而有效地缓解了电荷分享效应对Vctrl的影响。控制信号可以用函数Sign(t)表示，电荷泵充电时，Sign(t)=1；电荷泵放电时，Sign(t)=-1；电荷泵禁能时，Sign(t)=0 。初始时刻的V’ctrl用V0表示，可设置为1.25 V，则t时刻的Vctrl为：

图3　电荷泵电路

图4　电荷泵电路的仿真波形

电荷泵电路的仿真波形如图4所示，当控制信号up、down为高电平时，电荷泵放电，电压Vctrl和电压V’ctrl逐渐降低。

图5　OTA电路

2.2OTA电路

图5中，此OTA电路为全差分共源共栅OTA，除输入和输出节点外，该放大器的其余所有节点都是低阻节点，OTA的跨导由差分输入放大级的跨导决定[4]。OTA的输入差分电压为Vin+、Vin-，其中，M3、M4的跨导gm3=gm4=gm，同相端输出电流：

反相端输出电流：

OTA电路的仿真波形如图6所示，波形Ioup对应电流Iout+，波形Ioun对应电流Iout-。图6中，差分输出电流Iout+、Iout-与Vref-Vctrl呈线性比例关系，与式（2）、式（3）一致。

2.3电流补偿电路

图7中，IINP=Iout+，IINN=Iout-。电流补偿电路包含了一个比例运算电路，其中，R1=R3=10 kΩ，R2=R4=5 kΩ，比例运算因子为二分之一。来自于双绞线的输入信号被衰减了二分之一，以确保信号的幅值不会超出后级均衡器的输入范围[5]。同时，电流IINP、IINN在电阻R2、R4上产生基带漂移补偿电压，该补偿电压与衰减二分之一后的输入信号叠加，得到输出信号VOUTP、VOUTN。即：

图6　OTA电路的仿真波形

图7　电流补偿电路

代入式（1）、（2）有：

从式（8）可知，影响基带漂移补偿电压的因素很多，包括OTA的跨导gm、电荷泵控制信号函数Sign(t)，电荷泵充放电电流I1、I2，电荷泵电容C1和电流补偿电路反馈电阻R2、R4等。

图8　电流补偿电路的仿真波形

电流补偿电路的仿真波形如图8所示。在补偿电流IINP、IINN作用下，输出信号VOUTP、VOUTN上叠加了基带漂移补偿电压，与式（4）、式（5）一致。

3　仿真结果

本文设计的电路采用0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS工艺，仿真工具为Cadence公司的Spectre。电路的工作电压为2.5 V。

图9　带有基带漂移的输入信号

图9为带有基带漂移的输入信号的仿真波形，输入信号RXDP、RXDN的基带漂移偏差为+1 V，差分幅值为1 V。图10为经过基带漂移补偿后输出信号的仿真波形，输出信号VOUTP、VOUTN的初始基带漂移偏差为+0.5 V，在时刻2.5 μs，基带漂移消除器开始逐渐叠加补偿电压，经过处理3.5 μs之后，输出信号VOUTP、VOUTN的基带漂移分量已经完全消除。差分幅值衰减为输入信号的二分之一，即0.5 V，这样便于后面的均衡器处理。

图10　经过基带漂移补偿后的输出信号

4　结束语

本文提出了一种用于以太网收发器的基带漂移消除器的结构设计，该结构由3部分组成：电荷泵电路、运算跨导放大器电路（OTA）和电流补偿电路。仿真结果表明，该结构基带漂移补偿能力强，补偿范围大，补偿运算准确，结构简单，达到了以太网收发器的系统要求，可以很好地实现对基带漂移的补偿。

参考文献：

[1]卜涛，嵇楚，叶凡，等. 用于千兆以太网模拟接收前端的预均衡电路[J]. 微电子学与计算机，2004，21 （6）：160-162.

[2] 黄梅娟. 10/100M以太网收发器模拟均衡器设计[D]. 西安：西安电子科技大学，2008.15.

[3] 邹勤丽. 一种高速电荷泵锁相环的设计与实现[D]. 上海：上海交通大学，2014.27.

[4] R Jacob Baker, Harry W Li, David E Boyce. CMOS•布局与仿真[M]. 北京：机械工业出版社， 2006. 488-489.

[5] James Everitt, James F Parker. A CMOS Transceiver for 10 Mb/s and 100 Mb/s Ethernet[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1998, 33(12): 2169-2177.

张 帅（1983—），辽宁葫芦岛市人，硕士学历，华东计算技术研究所自主可控计算研究院工程师，主要研究方向为数模混合信号集成电路设计。

Design of a Baseline Wander Canceller for Ethernet Transceiver

ZHANG Shuai, XU Shengquan, YU Jianwang, LI Zhenghao, QIU Yibo, ZHENG Yan
（East-China Institute of Computer Technology, shanghai 200233, China）

Abstract:The thesis presents a design of a baseline wander canceller for Ethernet Transceiver, which is implemented by 0.13 μm/2.5 V 1P8M CMOS process.The circuit is composed of a charge pump,an OTA (Operational transconductance amplifier) and a current compensation circuit.The baseline wander canceller can correct the effects of baseline wander due to the high-pass nature of the transformer.The simulation results indicate that the design can satisfy the system requirement of the Ethernet Transceiver and compensate baseline wander very well.

Keywords:baseline wander; ethernet transceiver; high-pass nature

作者简介：

收稿日期：2015-10-10

中图分类号：TN402

文献标识码:A

文章编号：1681-1070（2016）02-0023-05