基於相位內插器的 CDR

背景

為了透過訊號線將資料從一個晶片傳送到另一個晶片，接收晶片必須知道何時採樣來自傳輸晶片的資料訊號。在許多系統中，該資訊由傳輸晶片通過與資料訊號線相鄰的專用時序訊號線，傳送到接收晶片的時序﹝時脈﹞訊號來提供。

在訊號傳輸速率相對較低的系統中，接收晶片可以直接使用該時序訊號的內部緩衝版本，從資料訊號中提取資料。這是 SDRAM 技術所使用的方法。然而，在訊號傳輸速率較高的系統中，接收晶片通常需要一個時脈對齊電路，如相位鎖定迴路﹝PLL﹞或延遲鎖定回路﹝DLL﹞。這種電路可以建立一個內部採樣時脈訊號，該訊號與接收的訊號精確地對齊，以便從資料訊號中提取資料。這是 RDRAM 和 DDR 技術所使用的方法。無論是否使用時脈對齊電路，資料及時序線都應良好匹配，以消除它們之間會減少系統的時序空餘的時序偏移。

隨著資料速率不斷提高，要匹配資料訊號線與時序訊號線以消除時序偏移，是越來越困難了。另外，根據資料線路由時序訊號線，在主機板面積和功耗方面所需的成本很高。一個比較好的方法是移除時序線，而在接收晶片上使用電路，這樣只需資料訊號線即可確定何時採樣資料訊號，以達到最可靠的資料提取。這種電路稱為時脈和資料回復﹝CDR﹞電路。圖 1 顯示了具有和沒有時序訊號線的晶片之間連線範例。

儘管通常使用經過改裝的 PLL 設計 CDR，但是基於 PLL 的 CDR 設計非常困難，因為在功耗和面積方面的成本很高，而且還受到一些其它因素的限制。例如，在設計基於 PLL 的 CDR 時，設計師必須在跟蹤資料訊號功能和 PLL 的抗干擾能力之間做出取捨。另外，基於 PLL 的 CDR 動態效能取決於資料訊號內容，由於必須鎖定資料訊號的頻率和相位，因此基於 PLL 的 CDR 的鎖定時間會很長。基於 PLL 的 CDR 還會受到類比偏移和裝置不匹配的影響，這會引起接收器電路在移位的、非最佳採樣點感知資料訊號。最後，對於接收多種資料訊號的晶片，還必須為每種資料訊號提供專用的基於 PLL 的 CDR。由於這些 PLL 通常需要相對較大的矽面積﹝如較大型的濾波電容器﹞並消耗相對較大的功率﹝如各種高速 PLL 元件﹞，因此提供專用的基於 PLL 的 CDR 所需的成本很高。

什麼是基於相位內插器的 CDR？

基於相位內插器的 CDR 是由 Rambus 開發的另一種電路架構，與基於 PLL 的 CDR 相比，具有多項優勢。

圖 2 顯示了基於相位內插器的 CDR 運作原理，及它們比基於 PLL 的 CDR 更具優勢的原因。這種 CDR 使用 PLL 或 DLL 來採用參考迴路，該迴路接收輸入的參考時鐘訊號，並產生一組高速時鐘訊號作為參考相位，這些相位平均分隔 360 度。然後，這些參考相位將被提供給 CDR 迴路，該迴路包括的電路可選擇成對參考相位，並在它們之間插值以提供給時脈，以恢復從資料訊號中提取的資料。圖 3 顯示了相位內插範例：在兩個位於不同相位的輸入訊號之間插入相位，以產生位於中間相位的輸出訊號。

由於參考迴路和 CDR 迴路相互獨立，因此，基於相位內插器的 CDR 設計師可以分別最佳化參考迴路的抗干擾能力，和 CDR 迴路的跟蹤能力。另外，參考迴路不受資料訊號內容的影響，因此可允許這種 CDR 跟蹤種類更多的資料訊號。而且，僅在啟動階段最初鎖定參考時脈訊號時，參考迴路的鎖定時間才相對較長。在初始鎖定時間後，當資料訊號被中斷後再次返回時，基於相位內插器的 CDR 的重新鎖定速度，會明顯快於基於 PLL 的 CDR。

基於相位內插器的 CDR 另一個優點在於，可以透過數位控制補償來精確調整資料採樣點。這樣可以清除裝置不匹配及其它原因所引起的偏移，並允許在系統內測量確保從資料訊號中可靠提取資料的時序空餘。

最後，在基於相位內插器的 CDR 中，儘管參考迴路會佔用大部分面積且消耗大部分功耗，但是，其參考相位可以讓接收多種資料訊號的晶片上多個 CDR 迴路分享。如此一來，每種資料訊號的 CDR 功能所需的平均尺寸和功耗將大大減小。

誰是受益者？

許多人會從使用基於相位內插器的 CDR 中受益，包括：

• ASIC 供應商：透過利用基於相位內插器的 CDR， 來設計包含 Rambus I/O 單元的 ASIC，ASIC 廠商可以使 I/O 單元面積更小、功耗更低和運作更穩定。在使用二通道、四通道或其它多通道 I/O 單元時，因為這些單元使用一個參考迴路來驅動多個 CDR 迴路執行多個 CDR，因此所獲得的益處會成倍增加。與其它 CDR 設計要求每線一個 PLL 相比，基於相位內插器的 CDR 設計面積與功耗大大減小。
• 系統整合商：使用基於相位內插器的 CDR 時，數位補償資料採樣時脈的功能允許在實際運作環境中，進行時序空餘系統內測試。這種系統級別測試增加了所製造系統的可靠性。
• 消費者：使用基於相位內插器的 CDR 將帶來的成本、功耗、效能和可測性等優點，將最終轉化到消費者購買的產品中，使消費者享有更低的價格、更長的電池壽命和更佳的可靠性。