CN104660227A - 适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，包括连续时间线性均衡器等；连续时间线性均衡器接收来自于信道的受干扰信号Vin，并根据控制信号Vctrl的电压大小控制其高频增益对输出的信号进行高频补偿，之后输出信号Veq；多电平接收器接收输出信号Veq，并经过判决及译码后输出两比特的数字信号MSB与LSB；参考电平发生器利用两比特数字信号MSB与LSB再生标准参考信号Vref；反馈信号发生器通过对输出信号Veq和输出信号Vref进行大小比对后输出反馈信号Vfb；积分型电荷泵对反馈信号Vfb进行积分后获得控制信号Vctrl。

Description

适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器

技术领域

本发明涉及高速串行链路系统中高速信号的模拟均衡电路设计领域,具体为自动补偿高速信号在传输过程中损耗的高频分量(即适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器)。

背景技术

高速串行数据在链路中传输时，受限于信道带宽(高频电介质损耗以及趋肤效应)，信号的高频分量严重衰减，导致码元波形畸变、展宽，并且单个码元对应的波形会出现很长的拖尾。前后码元畸变波形的叠加，影响到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰，这就是所谓的码间干扰现象。随着数据速率的提升，码间干扰现象也越为明显。其中提升信道带宽的方法之一是采用模拟电路对信道损失的高频分量进行补偿，即连续时间线性均衡器电路。但当前随着单线的数据传输速率上升，单纯的均衡已经不能应对信号完整性问题，多电平传输模式能降低对信号带宽的要求，是高速串行链路系统中需要结合的解决方案。

连续时间均衡器电路具有电路代价少，提供高频增益高的优点。但如果连续时间线性均衡器提供过量的高频增益，却也会造成码元波形的严重畸变，影响链路的传输性能。传统的连续时间均衡器电路在补偿信号高频分量比例的同时也会削弱信号的低频分量，故连续时间均衡器的自适应结构必须同时兼顾信号的高频分量与低频分量。连续时间线性均衡器的自适应结构有两种。一、判决器前后信号高频分量比例比较法；二、自身信号频率分量比较法。

判决器前后信号高频分量比例比较法，先采用限幅放大器对两电平模式的信号进行判决，然后分别对判决前后的信号分别都进行低通、高通滤波，再进行功率比较。低通分量的比较结果，用于调整判决器输出信号的幅度；高通分量的比较结果，用于调整连续时间线性均衡器的高频增益。此种方法采用了限幅放大器，会使多电平的信号畸变，因此只能适用于两电平传输模式，不能适用于多电平的信号。

自身频率比较法，针对特定的数据传输速率，设定高频分量与低频分量的分界频率，使两者理论上相等。电路设计上，先对接收信号进行高通滤波与低通滤波，然后整流、比较功率大小，以此作为控制连续时间均衡器收敛的控制依据。因为不同数据传输速率对应的高频分量-低频分量分界频率点不同，因此此种连续时间均衡器自适应结构只能工作在特定的数据传输速率，使用范围非常窄。

适用于多电平模式高速串行链路的自适应连续时间均衡器需要解决以下问题：采用限幅放大器会使多电平信号畸变，故不能采用限幅放大器调整信号的低频分量，就必须设计新型的连续时间线性均衡器电路，能够在调整高频分量比例的同时，不影响低频分量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何设计新型的连续时间线性均衡器电路从而实现多电平模式的自适应模拟均衡。输入信号经过连续时间线性均衡器高频补偿后得到的高频分量与目标基准信号的高频分量功率比较，获取的电压信息，通过积分型电荷泵积分反馈到连续时间线性均衡器，调整高频补偿力度。本发明在于如何实现新型的连续时间线性均衡器，能在调整高频分量比例的同时，不影响低频分量。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，包括连续时间线性均衡器、多电平接收器、参考信号发生器、反馈信号发生器和积分型电荷泵块构成一个闭环；所述连续时间线性均衡器接收来自于信道的受干扰信号Vin，并根据控制信号Vctrl的电压大小控制其高频增益对输出信号进行高频补偿，之后输出输出信号Veq；所述多电平接收器接收输出信号Veq，并经过判决及译码后输出两比特的数字信号MSB与LSB；所述参考电平发生器利用两比特数字信号MSB与LSB再生标准参考信号Vref；所述反馈信号发生器通过对输出信号Veq和输出信号Vref进行大小比对后输出反馈信号Vfb；所述积分型电荷泵对反馈信号Vfb进行积分后获得控制信号Vctrl。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的改进：所述连续时间线性均衡器采用三级差分级联构成，第二级差分电路与第三级差分电路的源级接入成互补结构，实现调整高频分量比例同时，不改变低频分量。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的进一步改进：所述连续时间线性均衡器的三级差分级联中，晶体管N_1与晶体管N_2构成第一级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs1与可变电容Cs1；晶体管N_3与晶体管N_4构成第二级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs2与晶体管N_8；晶体管N_5与晶体管N_6构成第三级差分对，其源端负反馈接入可变电容Cs3，固定电阻Rs3以及晶体管N_9。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的进一步改进：所述多电平接收器通过晶体管串联结构增大初始增益值，加快采样速率；通过双尾电流堆叠结构降低电源电压要求；并额外采用时钟控制晶体管放电，加快电路复位。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的进一步改进：所述多电平接收器由三个判决器与译码器构成；所述输出信号Veq分别输入三个判决器后获得判决结果Vout1、判决结果Vout2与判决结果Vout3；所述判决结果Vout1、判决结果Vout2与判决结果Vout3通过对应的译码器译码成实际的两比特信号MSB与LSB。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的进一步改进：所述积分型电荷泵采用校准共源共栅结构增大电流镜输出电阻，增强积分器的稳定积分性能。

作为对本发明所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器的进一步改进：所述积分型电荷泵由N_1、N_2、P_1、P_3、P_11与P_12、P_5、P_6、N_3与N_4、P_2、P_4、P_13与P_14、P_7、P_8、N_5与N_6、N_9、N_10、N_11与N_12、P_9、P_10、N_7与N_8、电容C构成；其中，P_1、P_3、P_11与P_12构成电流镜I1；P_5、P_6、N_3与N_4构成电流镜I1的校准电路；P_2、P_4、P_13与P_14构成电流镜I2；P_7、P_8、N_5与N_6构成电流镜I2的校准电路；N_9、N_10、N_11与N_12构成电流镜I3；P_9、P_10、N_7与N_8构成电流镜I3的校准电路；所述电流镜I1的电流完全灌入I3；所述反馈信号Vfb作用到差分对管N_1、N_2的栅极，此刻P_1、P_3、P_2与P_4都作为差分对N_1、N_2的电流源负载；当Vfb为正时，P_2、P_4、P_13与P_14构成的电流镜电流I2，大于P_1、P_3、P_11与P_12构成的电流镜电流I3，P_13、P_14、N_11与N12支路的电流流入电容C，对电容充电，输出电压Vctrl上升；当Vfb为负时，电容C通过晶体管N_11、N_12放电，输出电压Vctrl下降。传统的连续时间均衡器在提高高频分量比例的同时，会降低低频分量，一方面使得整体信号的包络幅度下降，另一方面不利于均衡器的自适应调整。传统的判决器前后信号高频分量比例比较法，采用限幅放大器实现，不能保证线性度，无法向多电平模式推广。本发明，将可变增益放大器结合到连续时间线性均衡器的设计中，实现了在调整高频分量比例的同时，不影响低频分量，从而能实现多电平模式的自适应模拟均衡调节。

本发明提出的连续时间线性均衡器及其自适应结构在实现信号均衡时，使用连续时间线性均衡器补偿信号的高频分量(同时保持低频分量)；连续时间均衡器的输出信号经过多电平接收器判决译码成数字逻辑；所得的数字逻辑由参考电平发生器产生标准的多电平模拟信号；将连续时间线性均衡器的输出信号与参考电平发生器产生的标准信号输入到反馈信号发生器，比较两者高频分量的功率大小，获取反馈控制信号；若均衡后信号高频分量小于标准信号，则增大连续时间线性均衡器的高频增益，反之，减少连续时间线性均衡器的高频增益；对连续时间均衡器的控制操作由积分型电荷泵的输出电压实现。当连续时间线性均衡器的高频分量与标准信号相等时，则积分型电荷泵输出电压不再改变，信号也实现了自适应均衡。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的自适应连续时间线性均衡器的系统结构图；

图2为本发明的连续时间线性均衡器1的结构图；

图3为本发明的连续时间线性均衡器1的电路结构图；

图4为本发明的多电平接收器2的结构图；

图5为本发明的多电平接收器2中判决器21的电路结构图；

图6为本发明的多电平接收器2中的译码逻辑真值表；

图7为本发明的参考信号发生器3的电路结构图；

图8为本发明的反馈信号发生器4的电路结构图；

图9为本发明的积分型电荷泵电路5的结构图。

具体实施方式

实施例1、图1给出一种适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其包括连续时间线性均衡器1、多电平接收器2、参考信号发生器3、反馈信号发生器4和积分型电荷泵5五个部件组成。

连续时间线性均衡器1接收来自于信道的受干扰信号Vin，根据控制信号Vctrl的电压大小控制其高频增益对输出信号进行高频补偿(即均衡)，均衡所得的输出信号为Veq。

多电平接收器2由判决器21与译码电路22组成。它接收来自于连续时间线性均衡器1的输出结果Veq，经过判决及译码后输出两比特的数字信号MSB与LSB。

参考电平发生器3利用多电平接收器2所得的两比特数字信号MSB与LSB再生标准参考信号Vref。

反馈信号发生器4由两个高通滤波器41、42与一个功率比较器43构成。连续时间线性均衡器1的输出信号Veq与参考信号发生器3的输出信号Vref分别通过两高通滤波器41、42输入到功率比较器43比较大小，输出反馈信号Vfb的正负表征两输入信号Veq与Vref高频分量的大小。

积分型电荷泵5对反馈信号发生器4的输出结果Vfb进行积分，所得的积分电压Vctrl用于控制连续时间线性均衡器1的高频增益。

上述五个模块构成一个闭环。以参考信号发生器3的输出信号Vref为基准，环路有三个状态：一、当均衡器输出结果Veq的高频分量小于Vref时，Vfb为负，表明信号欠均衡，通过电荷泵改变Vctrl增大连续时间线性均衡器1的高频分量。二、当均衡器输出结果Veq的高频分量大于Vref时，Vfb为正，表明信号过均衡，通过电荷泵改变Vctrl减少连续时间线性均衡器1的高频分量。三、当均衡器输出结果Veq的高频分量等于Vref时，Vfb为零，表明信号处于最佳均衡，Vctrl不再改变，均衡电路系统工作在最佳均衡稳定态。状态一与状态二最终都会转化到状态三，实现自适应均衡。

下面对主要电路模块的设计做详细介绍。

1、连续时间线性均衡器1：

连续时间线性均衡器1的结构如图2所示，由三级差分级联构成。第一级与第三级实现高频增益控制，第二级实现低频分量保持。电路结构如图3所示，晶体管N_1与晶体管N_2构成第一级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs1与可变电容Cs1。受控制电压Vctrl的控制，改变接入可变电容Cs1的大小，可以改变第一级差分对频率响应的增益零点。晶体管N_3与晶体管N_4构成第二级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs2与晶体管N_8；控制电压Vctrl经过由电阻Rbias1、Rbias2及晶体管N_7组成的反向器后控制晶体管N_8的栅极电压，即改变接入到晶体管N_3、晶体管N_4差分对的源端负反馈电阻大小，实现第二级的增益控制。晶体管N_5与晶体管N_6构成第三级差分对，其源端负反馈接入可变电容Cs3，固定电阻Rs3以及晶体管N_9；晶体管N_9的栅极电压直接由电压Vctrl控制，与第二级差分对中的晶体管N_8成为互补结构。当第三级降低低频增益提高高频分量比例的同时，第二级增加整体的增益，保持低频增益的不变；当第三级提高低频增益降低高频分量比例的同时，第二级降低整体的增益大小，保持低频增益的不变。

本发明采用三级差分级联构成的新型连续时间线性均衡器1实现了能在调整高频分量比例的同时不改变低频分量的功能。

2、多电平接收器2：

多电平接收器2的结构如图4所示，由三个判决器21与译码器22(译码逻辑)构成。经过连续时间线性均衡器1均衡后，信号Veq的眼图如图4中虚线椭圆框所示，要分别与三个参考电平Vup、Vcm与Vdowm比较，才能确定信号电平所在的位置区间。

其中判决器21的电路实现如图5所示，这是一个改进型的多电平双尾电流式判决器。判决器21中由N1-N4构成的两个差分对是待判决信号与参考电平信号的输入端。电路工作分为三个状态：一、复位状态：当时钟信号clk处于低电平时，P1截止，P4、P5、N9、N10处于导通状态，此时Vout+与Vout-同时下拉到零电平。二、采样状态：当时钟信号clk处于高电平时，P1导通、P4、P5、N9、N10处于截止状态，此时的晶体管P4、P5作为下半支路的有源负载，根据输入信号与参考电平的大小不同，差分放大后，形成采样结果信号(D+与D-)。三、再生状态：D+与D-信号作用到N5、N8的栅极输入端驱动判决器21的输出电压Vout；同时P2、N6构成的反向结构与P3、N7构成的反向结构互为正反馈，加快驱动Vout，迅速得到判决结果。

本发明中的多电平接收器2结构，将两级晶体管串联(N1与N5、N4与N8)，增加了初始增益值，加快采样放大速度，缩小孔径时间，提高灵敏度；本发明将晶体管结构分成双尾电流结构，减少晶体管的堆叠，降低对电源电压的要求；本发明额外采用时钟控制晶体管(N9与N10)，加快判决器的复位速度。

三个不同的输入参考电平(Vup、Vcm、与Vdown)会得到三个判决结果(Vout1、Vout2与Vout3)。多电平接收器2中译码器22(译码逻辑)的作用就是将三个判决结果(Vout1、Vout2与Vout3)译码成实际的两比特信号(MSB与LSB)。译码逻辑的真值表如图6所示。

3、参考信号发生器3：

参考信号发生器3的电路如图7所示，采用电阻负载型开关电流加法器实现参考电平发生器3。N_1-N_4构成两对差分开关，N_1与N_2栅极开关由高比特位信号MSB控制，其恒流源电流大小是2I。N_3与N_4栅极开关由低比特位信号LSB控制，其恒流源电流大小是I，是高比特位信号差分对电流的一半。输出电平Vref的大小与MSB、LSB信号的关系如表1所示。为了方便均衡后信号Veq与参考信号Vref的比较，参考电平发生器3的共模电平与连续时间线性均衡器1共模电平保持一致。

高有效位MSB	低有效位LSB	输出参考电平Vref
			1	0	3*I*RL
1	1	I*RL
			0	1	-I*RL
0	0	-3*I*RL

表1

4、反馈信号发生器4：

反馈信号发生器4的电路如图8所示，由两个高通滤波网络41、42与一个功率比较器43构成。高通滤波网络(两个高通滤波网络41、42)采用一级RC电路实现，其中电阻R额外承担共模偏置的作用。受寄生参数影响，电容C1的大小不能超过10fF，否则会令连续时间线性均衡器1增加太大的电容负载，降低均衡器的可用带宽。N_1-N_4构成的两对差分对共用负载RL且共用同一个偏置电流源I。连续时间线性均衡器1输出信号Veq与参考信号发生器3输出信号Vref通过高通网络后，由晶体管N_1-N_4构成两对差分对比较大小。为了平滑输出结果，在输出的差分信号Vfb+与Vfb-之间加入平滑电容C2，C2的大小一般为pF级。

5、积分型电荷泵5：

积分型电荷泵5的电路如图9所示，该电荷泵由三大电流镜构成。P_1、P_3、P_11与P_12构成一组电流镜,命名为I1；P_2、P_4、P_13与P_14构成一组电流镜，命名为I2；N_9、N_10、N_11与N_12构成一组电流镜，命名为I3。其中，I1的电流完全灌入I3，(即I1＝I3)。来自于反馈信号发生器4的输出信号Vfb作用到差分对管N_1、N_2的栅极，此刻P_1、P_3、P_2与P_4都作为差分对N_1、N_2的电流源负载。当Vfb为正时，P_2、P_4、P_13与P_14构成的电流镜电流I2，大于P_1、P_3、P_11与P_12构成的电流镜电流I3，(即I2>I1＝I3)；P_13、P_14、N_11与N12支路的电流流入电容C，对电容充电，输出电压Vctrl上升。反之，当Vfb为负时，电容C通过晶体管N_11、N_12放电，输出电压Vctrl下降。

一般的电荷泵电路在电容积累了一定电压时，会影响电流镜的工作点，破坏积分器的平衡性。本发明中特别采用校准共源共栅结构电流镜，增大其输出电阻，增强积分器的平衡性。P_5、P_6、N_3与N_4构成电流镜I1的校准电路；P_7、P_8、N_5与N_6构成电流镜I2的校准电路；P_9、P_10、N_7与N_8构成电流镜I3的校准电路。

本发明提出了用于多电平模式的高速串行链路的连续时间线性均衡器1，能够对多电平信号实现自适应高频分量补偿，实现信号的最佳均衡。自适应均衡结构上，本发明创新设计了可单独调节高频分量比例而不影响低频分量的连续时间均衡器1，克服了传统二进制模式自适应结构中限幅放大器的限制，能实现多电平模式的自适应均衡；与自身频率频率比较法的自适应结构相比，具有可应用在更宽数据速率范围的优点。电路部件上，本发明在电路上设计了新型的多电平接收器2，提高灵敏度；设计了新型的积分器电荷泵电路5，提高稳定性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接到处或联想到的所有变形，均认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：包括连续时间线性均衡器(1)、多电平接收器(2)、参考信号发生器(3)、反馈信号发生器(4)和积分型电荷泵(5)块构成一个闭环；

所述连续时间线性均衡器(1)接收来自于信道的受干扰信号Vin，并根据控制信号Vctrl的电压大小控制其高频增益对输出的信号进行高频补偿，之后输出输出信号Veq；

所述多电平接收器(2)接收输出信号Veq，并经过判决及译码后输出两比特的数字信号MSB与LSB；

所述参考电平发生器(3)利用两比特数字信号MSB与LSB再生标准参考信号Vref；

所述反馈信号发生器(4)通过对输出信号Veq和输出信号Vref进行大小比对后输出反馈信号Vfb；

所述积分型电荷泵(5)对反馈信号Vfb进行积分后获得控制信号Vctrl。

2.根据权利要求1所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述连续时间线性均衡器(1)采用三级差分级联构成，第二级差分电路与第三级差分电路的源级接入成互补结构，实现调整高频分量比例同时，不改变低频分量。

3.根据权利要求2所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述连续时间线性均衡器(1)的三级差分级联中，晶体管N_1与晶体管N_2构成第一级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs1与可变电容Cs1；

晶体管N_3与晶体管N_4构成第二级差分对，其源端负反馈接入固定电阻Rs2与晶体管N_8；

晶体管N_5与晶体管N_6构成第三级差分对，其源端负反馈接入可变电容Cs3，固定电阻Rs3以及晶体管N_9。

4.根据权利要求1所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述多电平接收器(2)通过晶体管串联结构增大初始增益值，加快采样速率；

通过双尾电流堆叠结构降低电源电压要求；

并额外采用时钟控制晶体管放电，加快电路复位。

5.根据权利要求4所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述多电平接收器(2)由三个判决器(21)与译码器(22)构成；

所述输出信号Veq分别输入三个判决器(21)后获得判决结果Vout1、判决结果Vout2与判决结果Vout3；

所述判决结果Vout1、判决结果Vout2与判决结果Vout3通过对应的译码器(22)译码成实际的两比特信号MSB与LSB。

6.根据权利要求1所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述积分型电荷泵(5)采用校准共源共栅结构增大电流镜输出电阻，增强积分器的稳定积分性能。

7.根据权利要求6所述的适用于多电平脉冲幅度调制的自适应连续时间线性均衡器，其特征是：所述积分型电荷泵(5)由N_1、N_2、P_1、P_3、P_11与P_12、P_5、P_6、N_3与N_4、P_2、P_4、P_13与P_14、P_7、P_8、N_5与N_6、N_9、N_10、N_11与N_12、P_9、P_10、N_7与N_8、电容C构成；

其中，P_1、P_3、P_11与P_12构成电流镜I 1；P_5、P_6、N_3与N_4构成电流镜I 1的校准电路；

P_2、P_4、P_13与P_14构成电流镜I2；P_7、P_8、N_5与N_6构成电流镜I2的校准电路；

N_9、N_10、N_11与N_12构成电流镜I3；P_9、P_10、N_7与N_8构成电流镜I3的校准电路；

所述电流镜I 1的电流完全灌入I3；

所述反馈信号Vfb作用到差分对管N_1、N_2的栅极，此刻P_1、P_3、P_2与P_4都作为差分对N_1、N_2的电流源负载；

当Vfb为正时，P_2、P_4、P_13与P_14构成的电流镜电流I2，大于P_1、P_3、P_11与P_12构成的电流镜电流I3，P_13、P_14、N_11与N12支路的电流流入电容C，对电容充电，输出电压Vctrl上升；

当Vfb为负时，电容C通过晶体管N_11、N_12放电，输出电压Vctrl下降。