低功耗差分接口的基本约束

电路

信号摆幅决定噪声容限和功耗，边沿变化率决定速度。接收端的信号摆幅接下来又由i×R决定，i是驱动器输出的电流，R是终端电阻。EMI取决于边沿变化率和信号摆幅。一个具有更小信号摆幅的低边沿变化率将得到更少的EMI。接收端的边沿变化率（转换率）dv/dt主要决定于i/C。电容C是电缆、输入设备、接线焊盘、管脚以及其它寄生或杂散电容的总和。减少i将要求更大的输入设备来获得同样的噪声容限，这将增加输入电容，减少dv/dt并限制速度。为了解决这些难题，找到信号技术中最基本的约束是最关键的。大多数情况下，这些约束均来源于接收端的要求。
　　
电流传输逻辑（CTL）
　　
如果驱动器的电流输出不转换成电压，接收器能够直接得到电流，将会发生什么？这将消除接收器的互感放大器，不仅减少传播延迟，而且大大减少通道带宽内的寄生电容效应。这种模式将要求在信号技术中发生基础性转变，用电流模式接收电路替代电压模式接收电路。
　　
一个测知电流的电路得以设计来与低输入电流一起工作，而不用危及噪声容限。如果某种机制能够可靠地测知驱动器流出的电流，并且使接收过程不那么依赖电容，那么它将保证在更小摆幅下的高速度，也导致更小的功耗。这种机制意味着一种与传统TMDS和LVDS技术等“伪电流方案”相区别的“真电流传输”方案。
　　
这种电流传输方案形成了电流传输逻辑（CTL）的基础。关键点是用一个低输入阻抗的电流传感电路代替高输入阻抗的电压放大器，接下来用一个I-V转换单元去驱动数字逻辑。使用差分电流传感电路的一个直接优势是非常低的电压摆幅，因而减少电流尖峰和降低EMI。有工作记载已经显示，电流模式信号受负载电容的影响远远小于电压模式信号，能够带来显著的性能改善。（参考文献 1）。
　　
图 4显示一种采用CTL的典型接口系统。从概念上来说，驱动器和接收器之间传输的电流信号是通过电流传感电路来实现的。取决于应用要求，电流传感电路也能设计成端接传输媒质。由于接收器设计成测试电流，我们能提供非常低的传输电流，这对典型的电压模式接收器来说是不可能的。LVDS技术通过匹配向前和返回路径的电流来获得功耗与EMI的优势。在CTL中，向前方向上的电流是I，但是返回环路中的电流是0.5×I。在两根线中实现逻辑“1”或逻辑“0”的电流变化都是在相反方向上的0.5×I，这样就消除了产生的电磁场。因为接收器的输入阻抗低，剩余的50％电流I在接收器被吸收。依赖于电流传输方向，接收器的一个管脚（正或负）将吸收比另一个管脚更多的电流。这将在正负管脚间产生一个差分电流。电流增益在输入级上不需要，在芯片内部能够采用单位增益来从重负载输入节点到一个轻负载节点之间传输差分电流。接下来如果有要求，在使用一个单独的互感级实现电流电压转换前增大差分电流。如果容性负载没有足够大到影响电压信号，在芯片内部要进行低阻抗到高阻抗的变换。

低输入阻抗对于电流处理来说非常理想，而且更少地依赖于容性负载，而连接模拟输入放大器的数字电路需要使它的高输入阻抗被一个电压来驱动。使用CTL技术避免了高容性输入节点的电流电压转换，允许电流电压转换发生在电容可被忽略的点。这样帮助实现了高吞吐量，使在一个非常低的能量上传输信号成为可能，和LVDS与TMDS技术相比尤其明显。与LVDS类似，对具有低弥散损耗的电缆来说，由接收器建立总的共模值或者由驱动器来强制得到总的共模值都是可能的。返回电流帮助接收器围绕共模值进行偏置。有可能设计0.5×I的返回电流和接收器吸收的电流来跟踪驱动器输出的电流，这样提供了一个合适的共模范围以适应驱动器与接收器之间潜在的地电平失配。由于接收器能够直接获得输入电流，它的输入门限电压就不象在TMDS和LVDS中显得那样重要。小摆幅的转换率甚至在同样吞吐量的情况下具有更大的范围。如果接收器具有电流测知能力，将具有更慢的边沿变化率和更低的功耗，使得在非常小的EMI和通道延迟下传输同样带宽的数据成为可能。
　　
实验检验
　　
为了证明具有上述基本电路技术的概念，研究人员设计了一对LVCMOS到CTL与CTL到LVCMOS的转换器。在实验中，他们开发了一个能够输出1mA和吸收0.6mA电流的CTL驱动器。传输线在接收器输入之间端接一个100Ω的电阻。他们设计接收器获得剩余的0.6mA电流，在接收器输入上产生65mV的摆幅，重点比较CTL技术和减少摆幅（250mV代替350mV）的LVDS技术。
　　
为使比较尽可能精确，他们将原型CTL转换芯片组设计成与现有减少摆幅的LVDS转换器芯片组完全一样的管脚封装形式。他们只改变了驱动器和接收器的模拟前端，保持其它的数字和模拟电路完全一样。这样，具有同样的制板和封装以及相同的现场测试，关键规范的区别只来自于接口信号技术方面的区别。
　　
功耗和吞吐量
　　
CTL从电源传感接收器的低环路电流获得功耗和速度优势。由于摆幅小于对应LVDS方案的四分之一，驱动级的直流电源消耗显著减少。由于更小的驱动电流和一个共模接收器，CTL不要求一个功能强大的预驱动和一个共模反馈电路，这导致动态电源减少。因为电源电压转换发生在一个具有较低电容的节点，接收端的电源要求没有限制。较低的摆幅还导致更高的速度。此外，可能设计足够灵敏的电流传感接收器，使之能够对只有几微安的差分电流做出反应，达到速度非常高、功耗相反减少的结果。在一种转换器设计中，LVCMOS端的信号路径是限制速度的主要因素。
　　
因为CTL与LVDS在接收器输入端根本不同，比较误码率而不是比较差分IO上的电压信号更有意义。但是从完备性角度讲，图 5显示了差分IO及CMOS输出上250和100MHz的CTL信号的眼图。这些数据是从连接CTL驱动接收器对的6英寸电缆上用一个伪随机码序列（PRBS）数据模式采集到的。
　　
在吞吐量200Mbps（100MHz）时，CTL驱动接收器之间的附加抖动的峰峰值只有23ps。驱动输出端的共模变化仅有29.21mV。这还能得出结论：对同样的速度和眼开（eye-opening）来说，CTL消耗的能量是减少摆幅LVDS技术的50％，比传统LVDS技术减少70％及至少比TMDS技术减少90％的功耗。功率减少的影响在高吞吐量的应用中表现特别明显，比如配置在LCD显示和基带处理器之间的SerDes（串行/解串行）应用。在一个特定SerDes结构中，使用CTL作为串行接口能够比减少摆幅LVDS技术节省多达30％的能量。
　　
因为CTL的输入采用电流测知，所以它能提供够完美的眼开性能，在低功耗下获得高吞吐量。在类似LVDS的电压接收器中，要有复杂的量化技术来检测眼闭（closed eye）的可靠数据，还要有进一步的量化针对不同电缆长度进行调整。使用CTL，容易实现的输入测知节点技术提供了同样的眼开。在不同数据率下用PRBS输入收集到的数据形成如图 6的波形。
　　
噪声容限和驱动
　　
正如前面所述，噪声容限需要直接与驱动能力进行权衡。因为CTL在远端采用电流测知电路，所以它天生就能在衰减很小的情况下驱动非常长的电缆。只要电缆上没有明显的散射损失，根据Kirchoff电流定律，到达远端接收器的电流就会保持常量。由于连接终端接收的电流在传输过程中不象LVDS中的电压那样衰减，设计人员能够在更长的电缆上采用CTL而仍然提供可靠的信号检测。图 7显示了在不同距离和电缆类型上用500Mbps PRBS测到的数据。

EMI和敏感度
　　
由于CTL本质上是差分的而且采用低信号摆幅率（swing-edge rate），根据前述理由，它将提供良好的EMI性能。在一种典型蜂窝电话应用中，使用10cm长的柔性电缆传送250MHz输入信号，将CTL的发射与LVDS、减少摆幅LVDS（LpLVDS）和TTL进行了对比。从使用一个近场探头收集到的电磁发射观察，CTL技术释放EMI平均比LVDS技术低10dB，比TTL信号方案低20dB。这是每个通道上仅1mA（典型情况）的能量消耗而获得的，远低于LVDS技术的每通道3.5mA和TMDS接口的10mA。
　　
参考文献：
　　
1. Current Mode Techniques for High Speed VLSI Circuits with Applications to Current Sense Amplifier for CMOS SRAMS, Seevinck et al, IEEE期刊固态电路（Solid State Circuits）, vol. 26, Nr 4, April 1991, p. 525-535.
　　
2. A 1-Gb/s Bidirectional I/O Buffer Using the Current-Mode Scheme, Sim et al, IEEE 期刊固态电路（Solid State Circuits）, vol. 34, Nr 4, April 1999, p. 529-535.

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