面向宇航用激光器驱动芯片的可编程连续时间均衡器设计

0 引 言

随着人工智能、5G 通信、大数据飞速发展^[1],光纤通信在高通量卫星、高分辨对地观测、航天器通信组网中展现了巨大的应用潜力,可在未来实现空间高速通信组网建设、空间自主信息处理决策,提升通信容量、降低延迟,有效实现载荷轻量化^[2]。激光器驱动器作为光发送链路的核 心器件,可以补偿高可靠、抗辐射电路设计及封装引入的高 频信号衰减,相比传统商用激光器驱动芯片设计难度更大。 目前星上通信总线、空间站通信组网的光传输速率最高为 10Gb/s,随着各类型数据密集型任务在宇航领域的应用日益增多,对25Gb/s及以上速率的光收发模块需求愈发迫切^[3-4]。

激光器驱动芯片应用时会在插拔接口、基板传输线、 封装键合中引入高频损耗,这些因素对高速信号完整性产 生了无法忽略的影响,仅依赖基板布局布线、封装优化,很 难带来显著的提升效果。因此,用于信号完整性补偿的高 速电学芯片成为了光发送速率提升的关键电路之一。信 号完整性补偿的方式可分为频域和时域两种,从频域角 度,主要基于连续时间均衡器(CTLE)实现对信号高频分 量的补偿,以高通滤波器的形式降低信号的低频增益,从 而实现对高频信号的补偿^[5-7];在时域角度,则是通过预加 重/去加重的方式对信号波形进行编辑,往往需要多个抽 头回路实现较好的均衡效果^[8-10]。对比而言,连续时间均 衡器在增益补偿能力、电路复杂度方面具有较大优势,虽 然在补偿过程中放大了高频噪声并损失了信号摆幅,但考 虑到高速光发送链路中常配备限幅放大器(LA)、时钟数 据恢复(CDR)电路提升信号质量,因此连续时间均衡器被 大规模用于光模块发送链路前端。同时,为应对不 同 封 装、走线以及外围链路的传输损耗波动,需配合数字控制 电路对 CTLE的增益补偿能力进行调节^[11-12]。目前,在商 用Serdes、激光器驱动芯片中,CTLE 电路已得到大规模 应用,其性能指标可满足25Gb/sNRZ以及56Gb/sPAM4 信号格式的通信速率。但是面向宇航用光收发模块,目前尚未有成熟 CTLE电路的相关研究。

本工作首先对宇航用光发送链路基板中的高速信号 链路传输模型进行分析,明确在25Gb/s下信号的传输损 耗曲线,从而有针对性开展CTLE电路设计。进而使用对 辐照总剂 量 不 敏 感 的 SiGeBiCMOS工 艺 对 电 路 进 行 验 证^[13-15],同时考虑到宇航复杂环境中信道退化导致的传输 损耗波动,提出了一种自适应 CTLE均衡回路设计方法。 仿真结果表明,25Gb/sPRBS31信号经过奈奎斯特频率 处损耗达14.308dB 的 FR4背板传输,再经均衡器均衡 后,眼图张开度达到0.67UI,满足典型宇航高可靠封装及 基板设计下的高速信号均衡需求。

1 可编程自适应连续时间均衡器设计

本文设计的可调谐连续时间均衡器电路如图1所示, 主体电路由高速 HBTNPN 管构成全差分电路,输出电流 模逻辑,由尾电流源及电阻 RL 对差分对管进行偏置并给 出后级输入信号摆幅及共模电平。此外,使用了电阻并联 网络的结构对 CTLE 的增益补偿信号进行调节。4位二 进制控制信号可经译码器电路转换为16个控制档位,通 过控制 MOS管的使能信号选择接入电路的定值电阻数 量,从而应对不同信道损耗。

考虑到空间辐照环境带来的器件损伤,采用了对辐照 总剂量效应不敏感的 SiGeBiCMOS工艺开展电路设计, 可极大程度保证主体模拟电路的抗辐照总剂量能力。除 模拟电路外,增益补偿调节过程主要由数字电路译码器提 供使能信号,在后续设计中可通过多模冗余等方式提升电 路在单粒子效应方面的防护能力。

通过对图1电路的小信号模型进行分析,可以得到传输函数如下:

式中,gm 为差分对管 Q1 和 Q2 的跨导,R_D、R_E 分别 为负载电阻和射极电阻,C_E、C_L 代表射极电容和负载电 容。由公式可以看出,通过对R_E 和C_E 的电容进行设计, 与 极 点 1/R_DC_L 抵 消,从 而 使 得 主 极 点 扩 展 到 gm（RE/2）+1 /R_EC_E。 本工作通过对 R_EC_E 计算,将极点 频率移至25Gb/s所对应的奈奎斯特频率处,从而以最高 效率对信道损耗进行补偿。

针对空间环境中的信号波动以及基板退化,提出了一 种基于 滤 波 器 以 及 峰 值 检 测 电 路 的 自 适 应 调 节 环 路。 CTLE输出的信号分别基于图1(c)和图1(d)中的高通滤 波器和低通滤波器对信号高低频分量进行提取,通过峰值 检测电路对高低频功率进行检测并基于比较器给出均衡 状态信息。基于给出的均衡状态(欠均衡/过均衡),可通 过外部控制固件或片上逻辑电路对 CTLE可变电阻的档 位进行逐次调节,直至高低频摆幅处于理想状态。

图1(c)和图1(d)为高频功率检测和低频功率检测的 电路结构。在高通滤波器中,C_HPF 与 R_HPF 提供接近奈奎 斯特频率的高频极点;与之对应,C_LPF 与 R_LPF 在电路零点 处制造极点,从而实现低通滤波。功率检测电路对输入信 号进行钝化,得出输入差分信号功率。此外,通过 Rth 产 生多个档位的输出电压,用于功率比较阈值调节。在后续 工作中,将 设 计 片 上 控 制 回 路,实现完整的自适应均衡过程。

2 CTLE电路交流特性仿真

图2(a)给出了16个档位下 CTLE 电路的交流仿真 结果。在增益补偿最低时,电路可在14GHz频率下提供 3dB的增益补偿,保证了理想信号以较好的状态进行传 输。随着控制档位增加,增益以约0.5dB为步长逐次提 升,最高 可 将 14 GHz的 增 益 提 升 12.5dB,满 足 对 在 14GHz下损耗为14.308dB的高速信号传输。

值得一提的是,在 CTLE电路设计中,需充分考虑芯 片内部差分走线、PAD、ESD等寄生效应对 CTLE带宽的响。图2(b)中交流仿真曲线为基于 EMX 仿真对上述 寄生效应的s参数进行提取后得出的 CTLE 交流特性曲 线,可见芯片内部寄生效应可将 CTLE 电路带宽降低约 5~6GHz,因此在核心差分对管选型、电阻电容参数计算 时需留出足够的带宽余量,必要时可采用电感峰化的方式 辅助带宽扩展。图2(c)列举了不同材料、布线尺寸下宇 航用高速光收发模块电学信道的传输损耗,其中30inFR4 在14GHz处损耗为14dB,图2(d)中曲线体现了不同档 位下对信道损耗的均衡效果,对于14dB的损耗,在1000 档位下,高低频增益相差最小,带宽为12.45GHz,可实现 最佳均衡效果。随着档位进一步升高,高频增益大于低频 增益,此时会进一步放大高频噪声,同时增加信号的码间 串扰。因此本工作所设计的 CTLE电路可满足宇航用光 收发模块设计需求。

3 传输特性分析

图3给出了经过传输线模型后的25Gb/s PRBS31差 分信号在输入CTLE前后的瞬态波形及眼图对比。可见, 在输入 CTLE之前,由于信号高频损耗严重,短码型的上 升时间延长,导致信号摆幅衰减,信号失真严重,难以保证 眼图张开度。经过 CTLE后,信号的高频分量得以补偿, 可以看出信号上升时间显著缩短,信号眼图抖动降低,张 开度提升。

同时,图3(b)和图3(c)中给出了不同档位下该信号 的眼图特性变化。不难看出,在较低均衡档位下,眼图张 开度严重不足,信号抖动极大。与0000档位下的交流仿 真结果吻合,在均衡档位为 1000 时,眼 图 张 开 度 达 到 最 佳,信号抖动最小,电路达到最优均衡状态。如图4所示, 当均衡档位继续升高,信号质量开始下降,眼图抖动增大。 需要注意的是,由于CTLE对高频噪声的放大作用以及在 频率补偿过程中牺牲了信号摆幅,在激光器驱动芯片中, 需在 CTLE电路后级增加限幅放大器电路,提升信号摆 幅,同时进一步实现带宽扩展。

4 自适应均衡器核心电路仿真 在自适应均衡器设计中,高通滤波器和低通滤波器是 其中的核心器件。图5(a)给出了本文设计的高通滤波器 和低通滤 波 器 的 交 流 仿 真 结 果。低 通 滤 波 器 的 带 宽 为 2.5Gb/s,开环直流增益为16.85dB,高通滤波器的截止 频率为5.79GHz,峰值频率为1GHz,开环直流增益为 -33dB。如图5(b)所示,摆幅不同的高低频滤波信号经 过峰值检测电路后可输出不同峰值所对应的电平,经由比 较器比较,以逻辑0和1的形式输出高低频功率比较结 果。在后续设计中,可基于高低频功率检测的逻辑信息开 发相应逻辑控制固件,以负反馈的方式实现自适应增益调 节。为提升集成化程度,也可基于片上逻辑器件构建调节 环路,实现自适应均衡。

5 结 论 面向宇航用高速光信号发送链路对抗辐射、高可靠激 光器驱动芯片的迫切需求,本文针对典型宇航用光发送链 路的基板布线方案进行建模分析,提出了一种25Gb/s自 适应连续时间均衡器电路设计方法,可在 14GHz实 现 16个档位最高16dB的传输信道增益补偿,有效抑制了因 高频损耗导致的信号完整性下降。此外,基于滤波及功率 检测电路提出了一种自适应均衡器设计方法,可充分满足 复杂环境下对高速信号传输链路信号完整性的实时调节, 在后续工作中,将开展片上逻辑反馈环路设计,并针对核 心数字电路单粒子效应开展抗辐照加固。

参考文献

[1]T NORIMATSU,T KAWAMOTO,K KOGO,etal.3.3A 25Gb/smultistandardseriallinktransceiverfor50dB loss coppercablein28nm CMOS[C]//2016IEEEInternational Solid StateCircuitsConference(ISSCC),2016:60 61.[2]G MAGHLAKELIDZE,SRCHAVALLA,N DIKHAMINJIA,etal.SensitivityofNRZandPAM4signalingschemesto channelinsertionlossdeviation[C]//2017IEEE26thConferenceon ElectricalPerformanceofElectronic Packaging andSystems(EPEPS),2017:1 3.

[3]IEEEStandardforEthernet Amendment2:MediaAccess ControlParameters,PhysicalLayers,and ManagementParametersfor25Gb/sOperationAmendment2:MediaAccess ControlParameters,PhysicalLayers,and ManagementParametersfor25 Gb/s Operation[S].IEEEStd802.3by 2016(AmendmenttoIEEEStd802.3 2015asamendedby IEEEStd802.3bw 2015),2016.

[4]李志雄,何慧敏,刘丰满,等.4×25Gbit/s光电收发模块的 封装设计与实现[J].光通信研究,2020(4). 

[5]张明科.基于纳米工艺的高速自适应均衡技术的研究与实现 [D].南京:东南大学,2015. 

[6]CG GASCA,SCPUEYO,C A CHAGOYEN.CMOScontinuous timeadaptiveequalizersforhigh speedseriallinks [M].Springer,2015.

[7]LIUJ,LIN X.Equalizationinhigh speedcommunication systems[J].IEEE CircuitsandSystems Magazine,2004,4 (2):4 17.

[8]W RAHMAN,D YOO,JLIANG,etal.A22.5 to 32 Gb/s3.2 pJ/breferencelessbaud ratedigitalCDR with DFEandCTLEin28 nmCMOS[J].IEEEJournalofSolid StateCircuits,2017,52(12):3517 3531.

[9]CHEN H,WANG D,WANGZ,etal.An11.05 mW/Gbps Quad Channel1.25 10.3125 GbpsSerialTransceiver Witha2 TapAdaptiveDFEanda3 TapTransmitFFEin 40nmCMOS[J].IEEEAccess,2021,9:70856 70867

[10]CHEND,WANGB,LIANGB,etal.A10 Gb/sbackplane transmitterwithaFIRpre emphasisequalizertosuppress ISIatdatacentersandedgessimultaneously[C]//2009CanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering, 2009:1213 1216.

[11]朱岛.高速自适应 CTLE 的研究与芯片设计[D].桂林:桂 林电子科技大学,2021. 

[12]PANQ,WANGY,LUY,etal.An18Gb/sFullyIntegratedOpticalReceiverWithAdaptiveCascadedEqualizer[J]. IEEEJournalofSelectedTopicsin Quantum Electronics, 2016,22(6):361 369

[13]GNIU,RKRITHIVASAN,JDCRESSLER,etal.AcomparisonofSEUtoleranceinhigh speedSiGeHBTdigital logicdesignedwith multiplecircuitarchitectures[J].IEEE Trans.Nucl.Sci.,2002,49(6):3107 3114.

[14]JDCRESSLER.TheSilicon HeterostructureHandbook: Materials,Fabrication,Devices,Circuits,andApplicationsof SiGeandSiStrained LayerEpitaxy,CRCPress,BocaRaton,FL,2006. [15]JD CRESSLER.OnthePotentialofSiGe HBTsforExtremeEnvironmentElectronics[J].Proc.IEEE,2005,93: 1559 1582.

2025年第1期第2篇