一種基于10Base－T標(biāo)準(zhǔn)接口放大電路的設(shè)計(jì)

1 引言

10base－t是1990年ieee通過的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)。在osi（開放系統(tǒng)互連）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的位置如圖1[1]。

現(xiàn)在以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展到以ieee802.3ae為標(biāo)準(zhǔn)的10000base－x以太網(wǎng)[2]，本文提出對10base－t放大電路的設(shè)計(jì)主要是因?yàn)槟壳霸S多的終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備10base－t接口為主，以及其本身技術(shù)特點(diǎn)（如編碼的特性）和性能穩(wěn)定性，在某些要求傳輸速率不高，但對工作穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)中仍是較好的選擇，在10base－t標(biāo)準(zhǔn)中，在雙絞線上傳播的兩類相位差180度的曼徹斯特編碼的差動(dòng)信號（在實(shí)際傳輸過程中，因發(fā)送器對曼徹斯特碼進(jìn)行了預(yù)失真處理以消除碼間干擾，傳輸信號與理想曼徹斯特碼有所不同）[3]，在局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號是以矩形波形式傳播的，其特點(diǎn)是衰減快、容易受干擾以及信號通過耦合變壓器時(shí)產(chǎn)生的基帶漂移等現(xiàn)象[4]，所以在10base－t的設(shè)備接口中要對傳輸進(jìn)來的信號進(jìn)行放大和整形。本文設(shè)計(jì)的前置放大器用于處理雙絞線傳輸過來的信號，具有降低噪聲干擾、整體信號波形、放大傳輸信號并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的功能，不需要額外的濾波器和a/d轉(zhuǎn)換器，此外，電路設(shè)計(jì)中大量采用重復(fù)模塊，以提高電路的可靠性，同時(shí)將以往相同功能電路0.5μmcoms工藝改進(jìn)到0.25μmcoms工藝，減少了芯片功耗和占用面積。

2 整體結(jié)構(gòu)

基于傳輸信號的類型和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了與之相對應(yīng)的接口電路。電路由p端和n端輸入端口、r1和r2電阻網(wǎng)絡(luò)模塊、z1至z14信號整形和放大模塊、s1偏置模塊、buffer1和buffer2緩沖模塊共同組成，其中電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

從雙絞線上送過來的兩列差動(dòng)信號分別從p端和n端進(jìn)入r1和r2模塊經(jīng)過簡單處理后，分別變化8對差動(dòng)信號送入整形和放大模塊，信號經(jīng)過一級整形放大產(chǎn)生4對差動(dòng)信號送入第二級整形和放大模塊，產(chǎn)生2對差動(dòng)信號再送入第三級整形和放大模塊經(jīng)過2個(gè)緩沖模塊輸出。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 電阻網(wǎng)絡(luò)模塊

電阻網(wǎng)絡(luò)模塊具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

電路的前部分是電阻網(wǎng)絡(luò)，其中r1－r8都是阻值相等，特性相同的電阻，用來提高輸入阻抗，最后將兩個(gè)正負(fù)信號分成四路進(jìn)入放大和整形模塊，r4和r8兩個(gè)電阻分別接電源和地，用來增大p端和n端之間直流電平的差值（圖4）。

從圖中可以看到通過上述電阻拉高和拉低的作用，使得兩個(gè)差分信號的差分電壓變的更大，這將有利于其后的放大和整形模塊的工作。

3.2 放大和整形模塊

放大和整形模塊具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

由于從輸入端進(jìn)來的信號都是高電平或低電平的差動(dòng)信號，放大電路的設(shè)計(jì)主要是采用鏡像差動(dòng)[5]，對放大整形模塊電路進(jìn)行大信號分析，這里假設(shè)m5是理想的電流源，如果vin1端輸入低電平信號，在vin2端輸入高電平信號，則m1管被關(guān)斷，同時(shí)m3、m4也被關(guān)斷，這時(shí)從電源到地的通路都被關(guān)斷，電源和地之間沒有電流流過，m2和m5管工作深線性區(qū)，傳輸電流為零，因此vout與地端同電位。當(dāng)vin1端輸入高電平，vin2端輸入低電平時(shí)，這時(shí)m2管被關(guān)斷，流過m4的電流為零，m4管工作在深線性區(qū)，因此vout與電源端同電位，由于在兩路信號高低電平轉(zhuǎn)換的狀態(tài)下，存在一個(gè)vin1的電位與vin2的電位相同的狀態(tài)，假設(shè)在兩邊電路對稱，mos管的參數(shù)都對稱的情況下，設(shè)流過m1管和流過m2管的電流相同，都等于流過m5管的電流的一半，所以vout＝vdd－|vgs3|＝vdd－|vgs4|[6]，放大器的設(shè)計(jì)在電源和地之間引入m6和m7，在vb和地之間引入m8。m6，m7，m8都采用電容的方式連接。主要用于降低因電源的噪聲引起對放大信號的干擾，加強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。綜上所述，在理想的情況下，放大器的輸出擺幅在地電位和電源電位之間，而實(shí)際上，電路很難得做到完全對稱，所以即使在輸入完全差動(dòng)的信號進(jìn)來，vout也會(huì)有很大的波動(dòng)，但因?yàn)樵?0base－t標(biāo)準(zhǔn)中，信號是高低電平的大信號，一定程度上可以忽略微小的不對稱。

3.3 偏置模塊

偏置模塊具體電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

在圖2中，可以看到每個(gè)差分放大器是三端輸入單端輸出，其中s1的輸入端連著每一個(gè)放大器，主要作用是為放大的尾電流源提供偏置電壓。從圖6可以看到，采用兩個(gè)并聯(lián)的二極管連接的nmos管接地來為圖5中的m5尾電流源提供偏置電壓。用單一的復(fù)制電路提供偏置電壓可以保證每個(gè)放大器的偏置電壓相同并且在芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)減少占用面積。

3.4 緩沖模塊

緩沖模塊具體電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

前面經(jīng)過兩極放大和整形的信號仍帶有模擬信號的特點(diǎn)，經(jīng)過緩沖模擬后信號得到進(jìn)一步濾波從而完全轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

4 版圖設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

由于整個(gè)電路的版圖比較大而且重復(fù)單元比較多，這里只展示電路的核心部分，即放大整形模塊版圖設(shè)計(jì)（圖8）。

整個(gè)電路以模擬電路居多，仿真時(shí)采用電路網(wǎng)表與電路版圖相結(jié)合，并采用synopsys公司的軟件，基于hspice模型進(jìn)行驗(yàn)證，激勵(lì)信號模擬在雙絞線中傳輸?shù)牟顒?dòng)信號并且受到噪音信號干擾。具體激勵(lì)信號如圖9所示。

激勵(lì)信號經(jīng)由p端和n端進(jìn)入，輸出端口得到如10所示的信號。