一種應(yīng)用于高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的LVDS信號接收器的設(shè)計(jì)

戈益堅(jiān)+徐靜

【摘 要】LVDS信號是一種低功耗、高速度的信號傳輸技術(shù)，其具備低功耗以及低噪聲的優(yōu)良特性，非常適合作為高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入信號。本文介紹了一款高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的LVDS信號接收器電路，分別介紹了信號接收器的預(yù)放大器、電壓比較器、整形緩沖器電路的設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)整體進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】LVDS信號；共模抑制比；差分放大器

中圖分類號： TN792 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0086-002

An LVDS Signal Receiver Designed for High Precision Digital Analog Converter.

GE Yi-Jian XU Jing

（Jiangsu Information Vocational and Technical College，Wuxi Jiangsu 214153，China）

【Abstract】LVDS signal is a kind of low-power， high-speed signal transmission technology. It has the characteristics of low power consumption and low noise and is very suitable for the input signal of high-precision digital-to-analog converter. This paper introduces a LVDS signal receiver circuit inside a high precision digital-to-analog converter， introduces the design of signal receiver pre-amplifier， voltage comparator， shaping buffer circuit， and the functional verification of the whole system.

【Key words】LVDS signal；Common mode rejection ratio；Differential amplifier

1 LVDS信號

傳統(tǒng)的高速數(shù)字采集系統(tǒng)的信號一般采用LVTTL信號，LVTTL信號在傳輸過程中存在信號傳輸速度慢、誤碼率高、抗串?dāng)_能力弱、功耗較高等缺陷，為了克服這一系列的缺陷，研究人員開始研發(fā)新一代的低電壓差分信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)，LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）信號標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。LVDS信號標(biāo)準(zhǔn)是由美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）提出的一種低功耗、高速度的信號傳輸技術(shù)，LVDS信號一般采用1.2V的偏置電壓作為基準(zhǔn)，提供較低的電壓擺幅（一般為350mV）以及較低的低的驅(qū)動電流（一般為3.5mA），在一對線路上傳輸差分信號，其最高傳輸速率可達(dá)3.1Gbps，同時由于其低電壓擺幅以及低驅(qū)動電流的特性，使其具備低功耗以及低噪聲的特性。由于LVDS信號具備以上的優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合作為高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號標(biāo)準(zhǔn)。

2 LVDS信號接收器電路設(shè)計(jì)

LVDS低壓差分信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部集成的LVDS信號接收器處理后轉(zhuǎn)換為CMOS數(shù)字信號，供后續(xù)電路模塊進(jìn)行處理。LVDS信號接收器電路由預(yù)放大器、電壓比較器、整形緩沖器三個模塊構(gòu)成，基于CSMC 0.18um CMOS工藝所設(shè)計(jì)的LVDS信號接收器電路如圖1所示。

LVDS輸入信號首先加在由P1、P3、P3、M1、M2、M3、M4這七個MOS管所構(gòu)成的與放大器電路的輸入端DATA_P、DATA_N兩端，該運(yùn)算大器電路采用的是一種Lee負(fù)載的差分放大電路結(jié)構(gòu)，其中P1為一個PMOS電流源，當(dāng)柵極電壓V_BIAS為0時，可以為差分放大器提供1mA的輸出電流。M1、M2、M3、M4這4個NMOS管構(gòu)成了一個LEE負(fù)載結(jié)構(gòu)，這4個MOS管負(fù)載均采用二極管接法，二極管接法的MOS管的小信號等效電阻阻值為

req=■（2）

根據(jù)以上模型，當(dāng)輸入信號為差模小信號時，得到LVDS接口電路預(yù)放大器電路的差模小信號等效電路模型如圖4所示。

圖2中，vid/2為輸入差模小信號，gmP2為P2管的跨導(dǎo)，roP2為P2管的小信號等效內(nèi)阻，gmM1、gmM2分別為M1、M2管的跨導(dǎo)，roM1、roM2分別為M1、M2管的小信號等效內(nèi)阻。vod/2為差模輸出信號。可以計(jì)算出當(dāng)輸入信號為差模小信號時，LVDS預(yù)放大器的差模輸出信號的表達(dá)式為：

■=g■·■（3）

因?yàn)镸1管與M2管的設(shè)計(jì)參數(shù)完全一致，所以可得：

gmM1=gmM2（4）

roM1=roM2（5）

將式（4）、（5）代入式（3）可得LVDS預(yù)放大器的差模小信號增益Avd為：

Avd=■=■（6）

當(dāng)輸入信號為共模小信號時，得到LVDS接口電路預(yù)放大器電路的小信號等效電路模型如圖5所示。

圖3中，roP1為P1管的交流小信號等效電阻，vic為共模輸入小信號，voc為共模輸出小信號。可以計(jì)算出當(dāng)輸入信號為共模小信號時，LVDS預(yù)放大器的共模輸出信號的表達(dá)式為：

voc=■（7）

將式（3-4）、（3-5）代入式（3-7），可得

voc=■（8）

LVDS預(yù)放大器的共模小信號增益Avc為：

Avc=■=■（9）

由式（6）、（9）可以計(jì)算出LVDS預(yù)放大器的共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）的表達(dá)式為：

CMRR=■=■（10）

而傳統(tǒng)的電流鏡負(fù)載結(jié)構(gòu)的差分放大器該的共模抑制比的表達(dá)式為；

CMRR=■=（1+2gmProP1）gmN（roP||roN）（11）

式（11）中，gmP為PMOS管P2、P3的跨導(dǎo)，gmN為NMOS管M1、M2的跨導(dǎo)，roP為PMOS管的小信號等效電阻，roN為NMOS管的小信號等效電阻。

將式（10）與式（11）對比可以發(fā)現(xiàn)，采用Lee負(fù)載結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的預(yù)放大器的共模抑制比比采用電流鏡負(fù)載的差分放大器大一個數(shù)量級，從而對LVDS信號輸入端的共模噪聲有更好地抑制作用。

輸入信號經(jīng)過預(yù)放大器的放大之后雙端口輸出至由P4、P5、M5、M6這四個MOS管構(gòu)成的電壓比較器，電壓比較器電路主要實(shí)現(xiàn)以下三個功能：

（1）將預(yù)放大器雙端口輸出的信號進(jìn)一步放大，提升電壓比較器的比較精度；

（2）將雙端輸入信號轉(zhuǎn)成單端輸出信號；

（3）將輸出最大電平從3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V；

由于電壓比較器輸出的信號波形的擺幅、上升沿下降沿的陡峭程度還不能達(dá)到CMOS數(shù)字信號的要求，所以需要在電壓比較器的輸出端接一個又兩級CMOS反相器構(gòu)成的整形緩沖器，由于CMOS反相器可以將輸入端緩慢變化的波形快速翻轉(zhuǎn)，從而大大地降低輸出端波形的輸出上升時間以及輸出下降時間，整形緩沖器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 LVDS信號接收器仿真

基于CSMC0.18um Typical工藝庫，使用Cadence Spectre仿真器對LVDS信號接收器電路進(jìn)行輸入輸出特性的仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)LVDS信號接收器輸入信號為頻率500MHz、偏置1.2V的正弦波差分信號時，接收器輸出端信號為CMOS方波數(shù)字信號，且輸出波形的上升沿及下降沿陡峭，整個系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)目標(biāo)。endprint