thiết kế bộ cân bằng tuyến tính thời gian liên tục pam4 trong hệ thống định thì khôi phục dữ liệu 64gbps công nghệ cmos 65nm

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Gain Độ lợi điện thế được tính bằng sự thay đổi một khoảng ngõ ra chia một khoảng ngõ vào BW3DB Băng thông của mạch tại DC gain giảm xuống 3dB

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Trần Hoàng Linh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Minh Sơn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Bùi Trọng Tú

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 1 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Trương Quang Vinh

2 TS Nguyễn Lý Thiên Trường

3 TS Nguyễn Minh Sơn

4 TS Bùi Trọng Tú

5 PGS.TS Hoàng Trang

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TS Trương Quang Vinh TS Nguyễn Quang Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hà Hồng Quân MSHV: 2170984 Ngày, tháng, năm sinh: 15/08/1999 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số : 8520203

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG TUYẾN TÍNH THỜI GIAN LIÊN TỤC PAM4 TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH THÌ KHÔI PHỤC DỮ LIỆU

64GBPS CÔNG NGHỆ 65NM

II TÊN ĐỀ TÀI TIẾNG ANH: DESIGN A PAM4 CONTINOUS TIME LINEAR EQUALIZER IN A 64GBPS CLOCK DATA RECOVERY 65NM CMOS

TECHNOLOGY

III NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế một mạch Cân bằng tuyến tính thới gian

liên tục (CTLE) sử dụng Active Inductor điện áp 1.2V ở công nghệ 65nm Bộ CTLE sử dụng common source topology và Active Inductor để tăng băng thông của mạch Mạch hoạt động ở tần số 16GHz có độ lợi là 7dB, sử dụng ngõ vào PAM4 64 Gbps

IV NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2023

V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2023 VI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Trần Hoàng Linh

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin cảm ơn thầy Trần Hoàng Linh đã chấp nhận cho em làm luận văn, bao dung cho những thiếu sót của em Sự hướng dẫn tận tình, định hướng rõ từ đầu giúp em vạch ra mục tiêu sớm và có lộ trình rõ ràng, luận văn hoàn thành suôn sẻ, bình thường Sự thoải mái, thân thiện nhưng vẫn có nguyên tắc sống riêng và không hề dễ dãi của thầy là nguồn cảm hứng với em, cho cách em đối xử với mọi người xung quanh và khi làm việc

Luận văn được giúp sức về kiến thức rất nhiều từ các anh chị em AMS Synopsys Xin cảm ơn anh Hoàng, anh Trí, anh Nhân, anh Quân, Thành Đạt, Anh Thi đã giúp em hoàn thành luận văn, những gợi ý về chuyên môn và thực hành của mọi nguòi giúp em hoàn thiện rất nhiều

Xin cảm ơn cha mẹ, em gái đã đồng hành cùng con Xin cảm ơn anh chị em Nhân quả tự đã cùng tôi vượt qua những năm tháng thạc sĩ chông gai

Xin cảm ơn các thầy cô khoa Điện, thầy cô đại cương đã giúp em có nhiều nền tảng kiến thức trong kì thạc sĩ Hành trang từ các thầy cô giúp em tự tin hơn, vững bước khi xin việc làm, bước vào đời

Xin cảm ơn tất cả, cảm ơn rất nhiều

Tp Hồ Chí Minh, ngày 8 tháng 1 năm 2024

Hà Hồng Quân

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung vào việc phát triển một mạch Continuous Time Linear Equalization (CTLE) sử dụng Active Inductor dùng nguồn 1.2V ở công nghệ 65nm Bộ CTLE sử dụng common source topology và Active Inductor để tăng bandwidth của mạch Mạch hoạt động ở tần số 16GHz có độ lợi là 7dB, sử dụng input PAM4 64 Gbps

Thiết kế này giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và đảm bảo ổn định trong truyền dẫn dữ liệu ở tần số cao Cụ thể, luận văn gồm 5 chương sau:

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

ABSTRACT

This thesis focuses on developing a Continuous Time Linear Equalization (CTLE) circuit using Active Inductor using 1.2V power at 65nm technology The CTLE uses common source topology and Active Inductor to increase circuit bandwidth The circuit operates at 16GHz frequency with a gain of 7dB, using PAM4 64 Gbps input

This design helps improve signal quality and ensure stability in data transmission at high frequencies Specifically, the thesis includes the following 5 chapters:

CHAPTER 1 INTRODUCTION CHAPTER 2 THEORY

CHAPTER 3 HARDWARE DESIGN AND IMPLEMENTATION CHAPTER 4 IMPLEMENTATION RESULTS

CHAPTER 5 CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTIONS

LỜI CAM ĐOAN

Học viên cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình khác đã trích dẫn và nêu rõ trong luận văn này, các công trình nghiên cứu và trình bày trong luận văn là do chính học viên thực hiện

Học viên

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.3 Nhiệm vụ luận văn 2

2 LÝ THUYẾT 4

2.1 Clock data recovery 4

2.2 Kiến trúc CDR cơ bản 5

2.2.1 Bộ dò pha tuyến tính (linear phase detector) 6

2.2.2 Bộ dò pha Bang-bang (Bang-bang phase detector) 8

2.2.3 Voltage Controlled Oscillator (VCO) 9

2.2.4 Thông số hàm truyền trong CDR 10

2.3 CDR dựa trên VCO số 11

2.4 CDR dựa trên PI 12

2.5 Mạch Current Mirror 13

2.6 Mạch lọc thông thấp RC 15

2.7 Giới thiệu về CTLE 16

2.8 Cấu trúc của CTLE sử dụng kỹ thuật Model Order Reduction 19

2.9 Cấu trúc của CTLE sử dụng kỹ thuật Peaking Inductor 20

2.10 Tích hợp Active Inductor vô CTLE 26

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

Hình 2.1 Ba phương pháp phân phối clock: (a) global clock (b) source synchronous và (c)

embedded clock 4

Hình 2.2 Định nghĩa sai số phase φER khi clock phục hồi là (a) bị khoá (b) trễ hoặc (c) sớm 5

Hình 2.3 Hogge Linear PD 7

Hình 2.4 Alexander Bang-Bang Linear PD 8

Hình 2.5 Đáp ứng của (a) PD tuyến tính và (b) PD bang-bang 9

Hình 2.6 Sơ đồ khối của CDR dựa trên VCO thông thường 9

Hình 2.7 Mô hình tương đương 10

Hình 2.8 Đáp ứng tần số của Loop gain 10

Hình 2.9 Đáp ứng tần số của HJTOL(f) 11

Hình 2.10 Đáp ứng tần số HJTRAN(f) 11

Hình 2.11 Sơ đồ khối của bộ CDR dựa trên VCO số 12

Hình 2.12 Mô hình tuyến tính của CDR dựa trên VCO số 12

Hình 2.13 Mô hình của PI-based CDR 13

Hình 2.14 Mô hình tuyến tính của PI-based CDR 13

Hình 2.15 Mạch Current Mirror 14

Hình 2.16 Sơ đồ mạch lọc thông thấp RC 15

Hình 2.17 Đáp ứng tần số biên độ của độ lợi 16

Hình 2.18 Đáp ứng tần số phase của độ lợi 16

Hình 2.19 Đáp ứng tần số của tín hiệu, CTLE và tín hiệu sau khi đi qua CTLE 18

Hình 2.20 Mạch CTLE sử dụng kỹ thuật Model Order Reduction 19

Hình 2.21 CTLE sử dụng Passive Inductor 21

Hình 2.22 Cuộn cảm xoắn 22

Hình 2.23 Lee’s active inductor 22

Hình 2.24 Mô hình tín hiệu nhỏ của Lee’s active inductor 23

Hình 2.25 Lee’s Active Inductor RLC đầy đủ 24

Hình 2.26 Lee’s Active Inductor RLC đơn giản 25

Hình 2.27 𝑅𝑆 và 𝑆22 tương ứng vs 𝐼𝐷 26

Hình 2.28 Mạch CTLE sử dụng Active Inductor 27

Hình 2.29 Sơ đồ tín hiệu nhỏ của Active Inductor 27

Hình 4.1 Mạch active inductor sử dụng trong luận văn 31

Hình 4.2 Đáp ứng AC tại tần số 8GHZ, ZL mạch LEE’s active inductor và mạch luận văn sử dụng 32

Hình 4.3 Sơ đồ mạch CTLE 33

Hình 4.4 Kiến trúc active inductor tại bài báo tham khảo [2] 33

Hình 4.5 Kiến trúc trúc active inductor với gain-boosting luận văn 34

Hình 4.6 Đáp ứng AC sau CTLE giữa 2 mạch active inductor 35

Hình 4.7 Kiến trúc trúc CTLE sử dụng tại luận văn 36

Hình 4.8 Hàm truyền của mạch CTLE PAM4 37

Hình 4.9 Kết quả phân tích transient 39

Hình 5.1 Kiến trúc tham khảo hướng phát triển 43

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC Gain Độ lợi điện thế được tính bằng sự thay đổi một khoảng ngõ ra chia một khoảng ngõ vào

BW3DB Băng thông của mạch tại DC gain giảm xuống 3dB

CMOS Complluận vănentary metal-oxide-sluận văniconductor

CTLE Bộ cân bằng tuyến tính (Continuous Time Linear Equalizer)

DCOP Phân tích điểm tĩnh điều hành (DC Operating Point)

DC Gain Độ lợi điện thế tại một thời điểm của ngõ ra chia ngõ vào

Eye diagram Biểu đồ mắt của tín hiệu, khi chập tín hiệu lại sẽ tạo thành mắt tín hiệu

Eye width Chiều rộng mắt tín hiệu

Eye height Chiều cao mắt tín hiệu

FF, FFH Fast – Fast, Fast – Fast Hot

Jitter Độ chập chờn của tín hiệu

LVT, ULVT Điện áp ngưỡng thấp (Low Voltage Threshold), điện áp ngưỡng cực thấp (Ultra Low Voltage Threshold)

1 GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan

Các ứng dụng System-on-chip, Network-on-chip, FPGA tốc độ cao ngày càng đặt ra vấn đề về băng thông, hiệu quả giao tiếp die-to-die Tuy nhiên ở tốc độ cao, các vấn đề về jitter, nhiễu, suy hao sinh ra khiên dữ liệu khó phục hồi đúng được

Lưu lượng truy cập internet toàn cầu tiếp tục tăng và dự kiến sẽ tăng gần gấp năm lần từ năm 2015 đến năm 2025, được thúc đẩy bởi các ứng dụng mới như internet vạn vật (IoT) và tăng trưởng trong các dịch vụ sử dụng nhiều băng thông như phát trực tuyến video, đã chiếm 70% tổng lưu lượng truy cập internet trong năm 2025

Sự tăng trưởng bùng nổ như vậy được thực hiện bằng cách mở rộng cơ sở hạ tầng mạng và trung tâm dữ liệu cung cấp exabyte (EB = 109 GB) nội dung cho người dùng mỗi tháng

Vì vậy cần có một bô thu phát tốc độ cao, khắc phục được nhược điểm trên cũng như có chất lượng tốt

Mục tiêu cần nghiên cứu:

Luận văn tìm hiểu tổng quan về cấu trúc CTLE, các thông số kỹ thuật phải quan tâm khi thiết kế với các khối cơ bản, đồng thời mô phỏng một mô hình bộ CTLE sử dụng phần mềm của hãng Cadence dựa trên công nghệ 65nm từ đó tìm hiểu tính toán các kết quả thu được và áp dụng các cải tiến (nếu có) để tạo thành mô hình CTLE hoàn chỉnh

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Về thiết kế CTLE

Dưới đây là bảng tổng hợp một số đề tài thiết kế CTLE trong những năm gần đây được xuất hiện trong các luận văn, luận án mà đề tài tìm hiểu:

recovery circuits for

energy-efficient short-reach optical transceivers

Khanghah, Meysam M Data rate: 50-56 Gb/s

Power

consumption: <5 pJ/bit

CMOS 65nm

With Low-Overhead Techniques for Threshold and Edge-Based DFE FIR- and IIR-Tap Adaptation in 65-nm CMOS

Roshan-Zamir, Ashkan Data rate: 56 Gb/s

Power

consumption: N/A

CMOS 65nm

Tolerant Radiation Hardened 2.56 Gbps Clock-Data Recovery Circuit With High Speed Feed Forward Correction in 65 nm CMOS

Stefan Biereigel; Szymon Kulis; Pedro Leitao; Rui Francisco; Paulo Moreira; Paul Leroux; Jeffrey Prinzie

Data rate: 2.56 Gb/s

Power

consumption: 34 mW

CMOS 65nm

Integrated Optical Receiver With a Baud-Rate Clock and Data Recovery

Yuan-Sheng Lee, Hsiang Ho, and Wei-Zen Chen

Wei-Data rate: 25 Gb/s

Power

consumption: 2.1 pJ/bit CMOS 40nm

1.3 Nhiệm vụ luận văn

Mục tiêu đề tài

Đề tài cần hoàn thành các mục tiêu sau:

▪ Đọc và hiểu rõ các kiến trúc bộ CTLE, giải thích nguyên lý hoạt động, so sánh và giải thích tại sao lựa chọn kiến trúc định làm

▪ Đọc các thông số cần quan tâm khi thiết kế một bộ CTLE từ đó lựa chọn công nghệ và viết đặc tả kỹ thuật phù hợp

▪ Thiết kế từng khối rời của bộ active inductor CTLE, kiểm tra, mô phỏng

▪ Hoàn thiện bộ CTLE vừa thiết kế từ các khối, mô phỏng, kiểm tra các thông số theo đặc tả kỹ thuật

▪ Hiệu chỉnh, bổ sung các cải tiến (nếu có)

Từ mục tiêu đề tài đặt ra, sinh viên triển khai thành các nội dung của luận văn

Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết tổng quan về các bộ CTLE, các

thông số kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế một bộ CTLE

Nội dung 2: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết về bộ active inductor CTLE, viết

đặc tả kỹ thuật, lựa chọn các khối cần thiết kế

Nội dung 3: Thiết kế từng khối của bộ active inductor CTLE

Nội dung 4: Hoàn thành bộ active inductor CTLE, mô phỏng

Nội dung 5: Kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật, cải tiến

thêm

2 LÝ THUYẾT

2.1 Clock data recovery

Phương pháp Clock data recovery (CDR) được sử dụng phụ thuộc vào cách clock được phân phối đến các bộ phát và bộ thu trong một hệ thống Các phương pháp phân phối clock được chia thành ba loại lớn: global clock, source synchronous và embedded clock

và (c) embedded clock

Trong sơ đồ global clock được hiển thị trong Hình 2 (a), cùng một clock được phân phối cho cả Rx và Tx Mặc dù có vẻ đơn giản, sơ đồ global clock khó thực hiện vì Tx và Rx thường cách nhau bởi khoảng cách lớn

Phổ biến hơn là phương pháp source synchronous được hiển thị trong Hình 2 (b), trong đó clock Tx được truyền cùng với dữ liệu bằng cách sử dụng một kênh truyền khác Về lý thuyết, clock và dữ liệu trải qua cùng một độ trễ và có thể được

gửi qua khoảng cách xa Tuy nhiên, trong thực tế, một số pha không phù hợp sẽ luôn tồn tại giữa clock Tx và Rx trong global clock và source synchronous

Do đó, một số hình thức phục hồi clock (CDR) sẽ được yêu cầu để sửa lỗi không khớp pha giữa dữ liệu đầu vào của bộ thu và clock Các phương pháp này được gọi là mesochronous, vì Rx chỉ cần khôi phục pha của clock chứ không phải tần số của nó, dẫn đến các mạch phục hồi clock tương đối đơn giản

Thay vào đó, đề cương này đề cập đến các hệ thống clock nhúng như thể hiện trong Hình 2 (c) (cũng được gọi lại là plesiochronous), trong đó clock Rx được phục hồi từ chính dữ liệu nhận được Điều này có nghĩa là cả pha và tần số của clock Tx phải được phục hồi, điều này được thực hiện bằng CDR

Sự khác biệt pha giữa dữ liệu và clock được ký hiệu là φER và được định nghĩa là bằng không khi CDR bị khóa như trong Hình 3(a) Khi clock lấy mẫu dữ liệu sau

điểm mẫu mong muốn, φER dương và clock bị trễ Khi clock lấy mẫu dữ liệu trước điểm mong muốn, clock còn sớm φER có thể có các đơn vị radian, giây hoặc UI

Nếu không có clock tốc độ đầy đủ, nhiều pha của clock tần số thấp hơn cũng có thể được sử dụng để lấy mẫu dữ liệu theo tỷ lệ yêu cầu Đề cương sử dụng CDR nửa tỷ lệ, lấy mẫu dữ liệu trên cả cạnh tăng và giảm của clock có chu kỳ bằng 2UI

Để đạt được và duy trì khóa, CDR sử dụng bộ dò pha (Phase detector - PD) để phát hiện lỗi pha giữa dữ liệu đến và clock được khôi phục, được tạo ra bởi VCO hoặc PI Đầu ra PD sau đó được lọc và sử dụng để điều khiển VCO hoặc PI trong một vòng phản hồi, buộc pha của clock được phục hồi phải thẳng hàng với pha của dữ liệu vào

2.2.1 Bộ dò pha tuyến tính (linear phase detector)

Hai loại PD thường được sử dụng: tuyến tính và bang-bang Như tên gọi của nó, đầu ra của PD tuyến tính tỷ lệ thuận với lỗi pha được nhìn thấy ở đầu vào của nó Một ví dụ về PD tuyến tính là Hogge PD, chứa hai flip-flops được xung nhịp bởi đồng hồ tốc độ đầy đủ và có hai đầu ra, ERR và REF Cổng XOR dưới cùng tạo ra xung REF dương rộng nửa bit mỗi khi dữ liệu đầu vào chuyển đổi XOR thứ hai tạo ra một xung ERR có chiều rộng tỷ lệ thuận với φER Đầu ra PD được lấy làm trung bình của ERR - REF Khi cạnh tăng của đồng hồ được căn chỉnh với tâm dữ liệu, chiều rộng của xung REF và ERR bằng nhau và đầu ra PD bằng không

Hình 2.3 Hogge Linear PD

PD tuyến tính có một số nhược điểm Thứ nhất, độ trễ từ đồng hồ đến Q của FF có thể khiến PD xuất ra 0 khi φER không chính xác bằng không, khiến CDR bị khóa với một số độ lệch pha dư Thứ hai, ở tốc độ dữ liệu cao hơn, quá trình truyền dữ liệu đầu vào không sắc nét, làm giảm hiệu suất của cổng XOR, cũng có thể không đủ băng thông để xuất ra các xung ngắn cần thiết Vì những lý do này, PD bang-bang phổ biến hơn

2.2.2 Bộ dò pha Bang-bang (Bang-bang phase detector)

Hình 2.4 Alexander Bang-Bang Linear PD

PD bang-bang (BB-PD) chỉ xuất ra dấu hiệu của lỗi pha, chứ không phải độ lớn của nó Alexander PD lấy mẫu dữ liệu trên cả hai cạnh tăng và giảm của clock tốc độ đầy đủ để tạo ra cả mẫu dữ liệu (Dn) gần trung tâm UI và mẫu cạnh (En) gần cạnh của UI

Khi bị khóa, các mẫu cạnh sẽ rơi chính xác vào các chuyển tiếp trong dữ liệu Bằng cách so sánh các mẫu cạnh với các mẫu dữ liệu liền kề, dấu hiệu của φ ER có thể được xác định Theo đó, PD xuất ra xung LATE hoặc EARLY rộng 1UI cho mỗi lần chuyển đổi dữ liệu được phát hiện

Bằng cách chỉ hoạt động trên dữ liệu được lấy mẫu, các yêu cầu về băng thông của cổng XOR được nới lỏng Sự chậm trễ từ clock đến Q của flip-flops cũng bị hủy bỏ Bằng cách chỉ xác định dấu hiệu của φER, PD bang-bang cung cấp ít thông tin hơn PD tuyến tính

Hình 2.5 Đáp ứng của (a) PD tuyến tính và (b) PD bang-bang

2.2.3 Voltage Controlled Oscillator (VCO)

Đầu ra của bộ dò pha được chuyển đổi thành dòng điện bằng bơm sạc (Charge pumb - CP) và được tích hợp bằng bộ lọc vòng lặp (LF) Đầu ra được lọc sau đó điều khiển đầu vào của bộ dao động điều khiển điện áp (VCO), có tần số được điều khiển bởi điện áp đầu vào của nó

Hình 2.6 Sơ đồ khối của CDR dựa trên VCO thông thường

Một mô hình miền pha tuyến tính của CDR dựa trên VCO: bộ dò pha đo φER và nhân nó với độ lợi KPD của nó Bơm sạc được mô hình hóa như một độ lợi trong khi đáp ứng bộ lọc vòng lặp được đưa ra bởi LF (s) Vì tần số là đạo hàm của pha, VCO, có tần số phụ thuộc vào điện áp đầu vào của nó hoạt động như một bộ tích hợp trong miền pha, với một số thu được KVCO

Hình 2.7 Mô hình tương đương

Hình 2.8 Đáp ứng tần số của Loop gain

2.2.4 Thông số hàm truyền trong CDR

Một số đặc điểm của CDR được quan tâm Thứ nhất, jitter transfer (JTRAN) mô tả cách lỗi pha ở đầu vào CDR lan truyền đến đầu ra CDR Ở tần số thấp, CDR điều khiển φER về 0 bằng cách buộc φCK theo φDAT

Jitter khiến φDAT thay đổi theo thời gian Dung sai jitter (JTOL) đo mức độ φDAT có thể thay đổi trước khi xảy ra lỗi bit trong CDR Giả sử rằng φDAT là một hình sin ở tần số f và tìm biên độ lớn nhất φDAT có thể có trước khi xảy ra lỗi bit, như một hàm của f Trong trường hợp không có jitter, lỗi xảy ra nếu φER vượt quá ±0,5UI (1UIPP), có nghĩa là dữ liệu sẽ được lấy mẫu bên ngoài khoảng thời gian bit

Xét hàm truyền giữa φER và φDAT:

Hình 2.9 Đáp ứng tần số của HJTOL(f)

Hình 2.10 Đáp ứng tần số HJTRAN(f)

2.3 CDR dựa trên VCO số

Để tránh diện tích lớn và PVT của các thành phần lter vòng lặp thụ động và mạch bơm sạc tương tự, bơm sạc và vòng lặp filter có thể được thay thế bằng một lter vòng lặp kỹ thuật số , điều khiển một bộ dao động điều khiển kỹ thuật số (DCO) Không giống như CDR tương tự, có thể sử dụng cả PD tuyến tính và bang-bang, CDR kỹ thuật số dựa vào đầu ra kỹ thuật số của PD bang-bang CDR kỹ thuật số dựa trên DCO

Trong bộ lọc vòng kỹ thuật số, tụ lọc vòng lặp chính CS được thay thế bằng bộ tích hợp kỹ thuật số có độ lợi KI trong khi số không được tạo ra bởi điện trở RS được thay thế bằng độ lợi đường dẫn tỷ lệ KP Vì không có khái niệm gợn điện áp trong miền kỹ thuật số, CP là không bắt buộc

Hình 2.11 Sơ đồ khối của bộ CDR dựa trên VCO số

Mô hình tuyến tính cho CDR kỹ thuật số phải đặc biệt chú ý đến việc chuyển đổi giữa các miền thời gian liên tục và rời rạc Trong CDR dựa trên VCO, φ coi như một biến thời gian liên tục để đơn giản, vì VCO và mạch RC được mô tả dễ dàng hơn trong thời gian liên tục Trong thực tế, các máy dò pha hoạt động dựa trên các mẫu rời rạc, cung cấp đầu ra ở mỗi lần chuyển đổi trong dữ liệu Trong phần tiếp theo, φ sẽ được mô tả chính xác hơn trong thời gian rời rạc trong CDR dựa trên PI

Hình 2.12 Mô hình tuyến tính của CDR dựa trên VCO số

2.4 CDR dựa trên PI

Thay vì tạo ra clock được khôi phục bằng VCO, CDR dựa trên PI căn chỉnh pha của clock tham chiếu với pha của dữ liệu nhận được bằng cách sử dụng bộ nội suy pha CDR dựa trên PI phổ biến trong các hệ thống đa làn, nơi một clock tham chiếu duy nhất có thể được chia sẻ giữa một số CDR Nội suy pha trộn clock với các pha khác nhau để tạo ra clock có độ trễ có thể điều chỉnh

Xét hai mạch nội suy pha đơn giản: các mạch kết hợp CK1 và CK2 với các trọng số khác nhau bằng cách điều chỉnh dòng điện hoặc cường độ truyền động của từng tín hiệu Nếu độ trễ giữa CK1 và CK2 là ΔT , thì pha của đồng hồ đầu ra có thể được điều chỉnh lên đến ΔT Bằng cách nội suy giữa nhiều pha clock khác nhau, các bộ nội suy pha có thể đạt được vòng quay pha 2π đầy đủ của đồng hồ, cần thiết trong CDR dựa trên PI

Hình 2.13 Mô hình của PI-based CDR

Hình 2.14 Mô hình tuyến tính của PI-based CDR

2.5 Mạch Current Mirror

Mạch current mirror là một mạch kết nối transistor được sử dụng để sao chép một giá trị dòng điện từ một nguồn sang một nguồn khác mà không thay đổi giá trị dòng điện hoặc tỷ lệ với dòng điện đầu vào Mạch này được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử như khuếch đại tương tự, điện áp tham chiếu, và tạo một nguồn dòng điện ổn định

Mạch current mirror thường được kết nối với các transistor cùng loại, có cấu

trúc giống nhau Các transistor này được đặt sao cho 𝑉𝐺𝑆 giữa chúng là giống nhau Mạch này được kết nối để tạo thành một hệ thống phản hồi âm tích cực để giữ cho giá trị dòng điện giữa các đường dòng điện là bằng nhau

Các transistor trong mạch current mirror có thể được kết nối theo nhiều cách khác nhau, bao gồm kết nối theo kiểu đơn giản như kết nối ngược, kết nối theo kiểu Darlington hoặc kết nối theo kiểu Sziklai Mỗi cách kết nối sẽ có ưu điểm và nhược điểm riêng

Trong một mạch current mirror, độ chính xác của giá trị dòng điện sao chép sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như sự giống nhau của các transistor, sự ổn định của nguồn cấp điện áp, và các yếu tố nhiễu khác Vì vậy, các mạch current mirror thường được thiết kế để đảm bảo gitrị dòng điện được sao chép

Ở phạm vi luận văn này, ta chỉ sử dụng mạch Current mirror đơn giản

Có một số loại mạch lọc thông thấp khác nhau, bao gồm mạch lọc RC (mạch lọc Resistance-Capacitor), mạch lọc RL (mạch lọc Resistance - Inductance), và mạch lọc thông thấp bậc cao hơn

Mạch lọc thông thấp được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Ví dụ, nó có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu hoặc tạp âm không mong muốn từ tín hiệu âm thanh hoặc tín hiệu video, cung cấp độ chính xác cao hơn trong các ứng dụng đo lường, hay lọc tín hiệu trong viễn thông và xử lý tín hiệu

Mạch lọc thông thấp RC:

Hình 2.16 Sơ đồ mạch lọc thông thấp RC

Tần số cắt của mạch:

Đáp ứng tần số biên độ của độ lợi của mạch lọc thông thấp RC:

Hình 2.17 Đáp ứng tần số biên độ của độ lợi

Đáp ứng tần số phase của độ lợi của mạch lọc thông thấp RC:

Hình 2.18 Đáp ứng tần số phase của độ lợi

Chuyển đổi H(w) sang hệ tọa độ cực:

R H

2.7 Giới thiệu về CTLE

CTLE (Continuous-Time Linear Equalization) là một mạch điện tử được thiết kế để cải thiện khả năng truyền dẫn tín hiệu và giảm thiểu các sai sót trong truyền thông Nó là một loại mạch bù tín hiệu, được sử dụng để tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu trong các ứng dụng truyền thông

Trong các hệ thống truyền thông, tín hiệu sẽ trải qua một số đường truyền, từ máy tính cá nhân đến thiết bị đích, hoặc từ một thiết bị truyền tín hiệu đến thiết bị thu tín hiệu Kênh truyền thông có thể gây nhiễu và suy hao tín hiệu, dẫn đến các sai sót trong tín hiệu truyền CTLE giúp giải quyết vấn đề này bằng cách tìm ra và giảm thiểu các biến động trong tín hiệu truyền

CTLE là một phần quan trọng của các giao thức truyền thông như Ethernet,

USB, HDMI và PCIe Nó có thể giúp đảm bảo tín hiệu truyền qua các kênh truyền thông ổn định hơn và giảm thiểu sai sót trong truyền thông số Ngoài ra, CTLE cũng được sử dụng trong các mạch tương tự để giúp đồng bộ và điều chỉnh tín hiệu truyền qua các kênh truyền thông tương tự

Mạch CTLE thường được xây dựng với các thành phần chính như tụ điện, điện trở và tụ trung gian, được kết hợp với các vi mạch điện tử để xử lý tín hiệu CTLE thường được thiết kế để có thể hoạt động liên tục (continuous-time) để giảm thiểu các tác động của suy hao và nhiễu trong tín hiệu truyền

Tóm lại, CTLE là một loại mạch bù tín hiệu, được sử dụng để tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu trong các ứng dụng truyền thông Nó giúp cải thiện khả năng truyền dẫn tín hiệu và giảm thiểu các sai sót trong truyền thông số

Cơ chế hoạt động CTLE

Với một channel điển hình, không có rảnh tần số, có đặc tính thông thấp có thể xấp xỉ thành một hoặc một vài cực pole như phương trình sau:

Trong đó pch là dominant pole của channel Bằng cách đặt bộ cân bằng CTLE nối tiếp với kênh, bộ cân bằng sẽ bổ sung một cách có chọn lọc độ lợi ở tần số cao Do đó, CTLE có hàm truyền được viết là,

Trong đó z p p1, 1, 2 lần lượt là cực zero, các cực pole của CTLE Nếu cực zero của CTLE triệt tiêu được dominant pole của Channel thì hàm truyền của bộ cân bằng có thể viết như sau: