基于PWM的高速数据接口电路设计

### 基于PWM的高速数据接口电路设计 #### 摘要 本文介绍了一种基于0.25μm标准CMOS工艺的高速数据接口电路设计方案，利用PWM（脉宽调制）技术和PLL（锁相环路）来降低CRC（时钟恢复电路）的复杂度，使得该电路能够在高达400Mbps的数据传输速率下稳定运行。这种设计适用于那些期望减少端口数量同时又希望保持较高数据传输速度的应用场景，比如不同IP核或芯片之间的互连。 #### 引言 随着集成电路设计与制造技术的发展，现代数字系统的工作速率已普遍提升至几百Mbps。此类高速系统通常由多个电路模块组成，而模块间的数据交换则通过总线结构实现。为了进一步提高数据传输速率，一种常见的方法是增加内部总线的宽度，但这往往意味着更大的芯片面积和更多的端口。为了解决这一问题，本方案提出了一个新颖的方法——采用调制技术将数据与时钟信号合并在同一通道中传输，以减少所需的端口数量。接收端通过CRC从数据流中恢复出时钟信号。目前，常用的调制技术包括PPM（脉冲位置调制）、PCM（脉冲编码调制）以及PWM（脉宽调制）等。 #### 基本原理与系统结构 PWM调制是一种将数据编码到信号脉冲宽度中的方法。其中，脉冲宽度\( T \)与数据速率\( D \)的关系可以表示为： \[ T = \frac{1}{R} = \frac{1}{ND} \] 这里，\( N \)表示每符号的比特数，\( R \)表示符号率。为了简化电路设计，本文设定\( N=2 \)。 **发送单元**主要包括串/并转换、PWM调制器、发送PLL、二分频器及接口电路。发送过程中，每2比特的数据经过串/并转换变为一个符号，随后通过PWM调制器编码，最终由接口电路发送出去。发送PLL负责提供稳定的时钟信号，二分频器用于将时钟频率减半，以便与编码后的数据匹配。 **接收单元**则包含了接口电路、PWM解调器、接收PLL以及并/串转换器。接收到的PWM信号首先被接口电路转换为全摆幅CMOS电平，之后进入接收PLL以恢复时钟信号。接收PLL与发送PLL类似，但增加了额外的相位以准确检测PWM信号的下降沿，从而完成解调。解调后的数据经过并/串转换器后输出。 #### 电路设计 ##### 发送/接收PLL PLL的性能对于整个接口电路来说至关重要。在本设计中使用的PLL为传统的电流泵PLL（CPPLL），包括PFD（相位频率检测器）、低通滤波器/泵浦以及VCO（压控振荡器）。为了降低抖动，采用了dec-PFD（双边缘检测PFD）来改善PFD的性能。这种PFD能够有效减少死区值，从而显著降低时钟抖动，支持更高的工作频率。 本文提出的基于PWM的高速数据接口电路设计，通过结合PWM调制和PLL技术，不仅大大减少了电路系统的复杂度，还能够支持高达400Mbps的数据传输速率，具有较高的实用价值。此外，这种设计还特别适合于那些需要减少端口数量的应用场景，如片上系统中的IP核或芯片之间的互连。