Cmos continuous-time adaptive equalizers for high-speed serial links
- Autores: Cecilia Gimeno Gasca
- Directores de la Tesis: C. Aldea (dir. tes.), Santiago Celma (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Adoración Rueda Rueda (presid.), Francisco V. Fernández Fernández (secret.), Francisco Javier Mateo Gascón (voc.), Jaime Ramírez Angulo (voc.), Belen Teresa Calvo López (voc.)
- Materias:
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- Resumen
En el mundo actual, la demanda de transmitir información de un lugar a otro está creciendo. Tanto si se trata de comunicaciones de larga distancia, tales como redes de cable o de televisión digital, como comunicaciones de corta distancia, tales como conexiones chip a chip, se necesitan sistemas rápidos y robustos para procesar adecuadamente los datos transmitidos.
Debido a su bajo coste y amplio ancho de banda, los transceptores de comunicación en serie CMOS son de uso preferente para redes de comunicaciones ópticas y eléctricas.
En la mayoría de los sistemas, el canal de comunicaciones es el que presenta la mayor limitación respecto al ancho de banda y, por lo tanto, respecto al comportamiento global. Por lo tanto, hay un gran interés en reducir la separación entre los anchos de banda dentro y fuera del chip. La ecualización es una técnica muy conocida para superar las no idealidades respecto al ancho de banda introducidas por el canal.
Puesto que en un sistema de comunicaciones el canal se comporta como un filtro pasa-baja, las distintas componentes frecuenciales sufren distinta atenuación y distorsión de fase cuando se propagan a través del canal. Esto produce interferencia inter-símbolo (ISI) lo que puede generar errores en la transmisión de datos. La ecualización es una técnica cuyo objetivo es compensar el ancho de banda de sistema de comunicaciones para alcanzar lal velocidad de transmisión de datos requerida. El principio de funcionamiento del circuito ecualizador es hacer que la respuesta frecuencial del conjunto canal-transceptor sea plana en el rango de interés. Por lo tanto, los ecualizadores reducen el ISI y pueden aumentar tremendamente la velocidad de transmisión.
Algunos ejemplos típicos de aplicaciones de la ecualización son las comunicaciones Ethernet con velocidades de transmisión de varios cientos de Mb/s, donde distancias por encima de 100 m causan pérdidas severas en el canal, y los canales magnéticos de lectura/escritura con velocidades alrededor de 500 Mb/s, donde las pistas adyacentes causan un ISI severo para densidades elevadas de almacenamiento.
Con la creciente demanda de procesamiento de mayor velocidad, las comunicaciones de datos chip a chip ha aumentado hasta varios Gb/s e incluso por encima de los 10 Gb/s. A esta velocidad, las pistas de las placas de circuito impreso introducen una atenuación muy importante en la señal por lo que la ecualización se vuelve imprescindible para asegurar una distancia de transmisión razonable.
La ecualización se ha utilizado también para compensar la atenuación de los canales de cable eléctrico, tanto en enlaces de corta como de larga distancia. Sin embargo, estos sistemas experimentan muchos problemas, por ejemplo, son rígidos, pesados y difíciles de doblar. Por ello, las comunicaciones ópticas están sustituyendo a las comunicaciones basadas en cobre. La ecualización se ha utilizado en comunicaciones de larga distancia a través de canales de fibra óptica, por ejemplo en módems y ADSL, para compensar la dispersión producida por la fibra. En aplicaciones de media distancia a través de fibra de sílice, la ecualización no es necesaria normalmente. Sin embargo, en comunicaciones de corta distancia, como redes locales (LAN) entre ordenadores, la viabilidad económica requiere el uso de tecnologías de bajo coste tanto para la electrónica como para los componentes ópticos. Por ello, se deben utilizar tecnologías CMOS para implementar la parte electrónica y la fibra óptica de plástico (POF) es una solución efectiva en coste para el canal óptico. Por lo tanto, la ecualización es absolutamente esencial en este tipo de aplicaciones para alcanzar un ancho de banda elevado a precios competitivos.
Recientemente, en comunicaciones de corto alcance y elevado volumen, se ha despertado mucho interés en receptores ópticos que incluyen fotodetectores integrados monolíticamente. Estos sistemas son más económicos y evitan los efectos parásitos introducidos por el conexionado entre dispositivos ópticos y electrónicos. Sin embargo, la principal desventaja de los fotodiodos integrados CMOS es que su respuesta frecuencial limita el ancho de banda del receptor óptico completo. La ecualización es una alternativa muy interesante para compensar la limitada respuesta frecuencial intrínseca de estos fotodiodos.
Por otro lado, en un sistema de transmisión, las características exactas del canal no se conocen a priori pudiendo estas además variar significativamente. La temperatura, las propiedades del material, la longitud así como otros efectos como conectores, curvas, etc., son variables y pueden hacer que el canal cambie su atenuación y ancho de banda de manera sustancial. Por lo tanto, es imprescindible que el ecualizador diseñado sea adaptativo ya que de otra forma resultaría en una sobre o sub-compensación, aumentando la tasa de error del sistema completo.
Como se ha comentado, el ecualizador constituye un bloque esencial para distintas aplicaciones de transmisión de datos tales como redes de comunicaciones ópticas de corta distancia a través de POF. Puesto que el papel del circuito ecualizador es la compensación del ancho de banda del canal (y/o del fotodiodo), las especificaciones de dicho ecualizador dependen de la aplicación para la que se diseña. Por lo tanto, en esta tesis, nos vamos a centrar en ecualizadores para receptores para comunicaciones ópticas de bajo coste y corto alcance a través de hasta 50 m de fibra óptica de plástico. Para esta aplicación es preferible utilizar ecualizadores analógicos de tiempo continuo ya que su operación es independiente del circuito recuperador de datos y reloj (CDR) y presentan ventajas en aplicaciones de bajo consumo y alta velocidad.
La tecnología en la que se diseñará el ecualizador es una tecnología CMOS de bajo coste: UMC L180 MM/RF 1.8V/3.3 V 1P6M. Puesto que pretendemos que los diseños propuestos sean compatibles con las tecnologías CMOS nanométricas más modernas, se ha elegido utilizar una tensión de alimentación de 1 V. Esto se ha hecho así puesto que conforme las tecnologías se escalan, la tensión de alimentación disminuye pero la tensión umbral de los transistores no lo hace en la misma proporción; por lo tanto, el rango dinámico disponible en los dispositivos disminuye. El diseño con 1 V en una tecnología estándar de 1.8 V supone una dificultad añadida pero garantiza la escalabilidad de los diseños.
En definitiva, los principales aspectos que se desarrollan a lo largo de esta tesis son los siguientes: ¿ En primer lugar, se estudian los fundamentos teóricos de los ecualizadores adaptativos de tiempo continuo, analizando el circuito ecualizador como un sistema de lazo cerrado y generando modelos matemáticos para sus bloques. También se estudian teóricamente distintas topologías de lazos de adaptación.
¿ El bloque más importante del ecualizador adaptativo, el ecualizador de línea, va a ser sintetizado y diseñado atendiendo a los criterios restrictivos de baja tensión, bajo consumo de potencia y alta velocidad de operación. En la tesis, se proponen, diseñan y caracterizan tres nuevas estructuras. Para conseguir una mejor caracterización de su operación, se llevan a cabo tanto simulaciones eléctricas como medidas experimentales. Los principales resultados se comparan con el ecualizador de línea más utilizado, el basado en el par diferencial degenerado.
¿ Posteriormente se diseña el lazo de adaptación, usando la técnica de balanceo espectral. Se presta especial atención a los diferentes bloques que constituyen el lazo: los filtros y el comparador de error. En la tesis se estudian los bloques constitutivos básicos y se proponen nuevas estructuras para cada uno de ellos. Para comprobar la funcionalidad del ecualizador adaptativo, se realizan simulaciones eléctricas y medidas experimentales.
¿ Además, también se proponen otros ecualizadores adaptativos mejorados. Se estudian dobles lazos de adaptación para compensar simultáneamente cambios en la ganancia y el ancho de banda del canal. También se estudia la compatibilidad del sistema con diferentes tasas mediante la inclusión de un segundo lazo de adaptación que modifica algunas de las características del lazo. Además se presenta una estructura combinada de ecualizador y CDR.
¿ Por último, para demostrar la funcionalidad de los ecualizadores propuestos en aplicaciones de bajo coste, corto alcance y alta velocidad, se presenta un receptor CMOS de bajo coste que incluye el ecualizador adaptativo propuesto. Se diseña para transmisiones de 1.25 Gb/s a través de fibra óptica de plástico (POF) de 50 m de longitud y 1 mm de diámetro. Es necesario prestar especial atención en el amplificador de transimpedancia ya que su diseño es crítico para obtener alta sensibilidad y ancho de banda en conjunto con el fotodiodo de elevada área necesario para estas aplicaciones.
