Multi-data rate receiver for high-speed serial interfaces
Authors: Τσιμπός Ανδρέας 
Published: September 2021

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας ολοκλήρωσης σε συνδυασμό με την ανάπτυξη βελτιωμένων κεντρικών μονάδων επεξεργασίας, έχουν επιφέρει τα τελευταία χρόνια σημαντική βελτίωση της επεξεργαστικής ισχύος των ηλεκτρονικών συστημάτων. Παρ’ όλα αυτά, η αύξηση της συνολικής απόδοσης ενός υπολογιστικού συστήματος, πέραν της βελτιωμένης επεξεργαστικής ισχύος, προϋποθέτει επίσης την αύξηση της ταχύτητας μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων από τα οποία αποτελείται. Η φυσική διασύνδεση - μεταφορά δεδομένων, μεταξύ των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που ενσωματώνονται στη μητρική πλακέτα μιας σύγχρονης ηλεκτρονικής συσκευής, πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας πομποδέκτες σειριακής μετάδοσης δεδομένων οι οποίοι αναφέρονται στην βιβλιογραφία ως σειριακές διεπαφές υψηλών ταχυτήτων. Οι παραπάνω διασυνδέσεις πέραν του υψηλού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων, απαιτούν επίσης μεγάλο συχνοτικό εύρος λειτουργίας, μικρό αριθμό ακροδεκτών εισόδου εξόδου, καθώς και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά την σχεδίαση ενός δέκτης σειριακής μετάδοσης δεδομένων υψηλών ταχυτήτων, ο οποίος προορίζεται για σύγχρονες φορητές ηλεκτρονικές συσκευές (έξυπνα κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές), καθώς επίσης την ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών σχεδίασης και κυκλωματικών τοπολογιών, οι οποίες κατά την υιοθέτηση τους μπορούν να συνεισφέρουν στη βελτίωσης της απόδοσης ορισμένων εκ των κρισιμότερων υποσυστημάτων από τα οποία αποτελείται το σύστημα ενός δέκτη. Αρχικά μελετώνται και αναλύονται οι πηγές και οι τύποι θορύβου χρονισμού (Jitter) που συναντώνται στα συστήματα σειριακής μετάδοσης δεδομένων. Προτείνεται μια μέθοδος μοντελοποίησης αυτών, η οποία βασίζεται στη γλώσσα περιγραφής υλικού Verilog-AMS και σχεδιάζεται μια γεννήτρια θορύβου, ικανή να παράγει τυχαία σήματα δεδομένων διαστρεβλωμένα από θόρυβο χρονισμού. Τα σήματα αυτά είναι κατάλληλα για την αξιολόγιση της απόδοσης μέσω εξομοιώσεων οποιουδήποτε δεκτή σειριακής μετάδοσης δεδομένων, ενώ η προτεινόμενη γεννήτρια θορύβου μπορεί εύκολα να παραμετροποιηθεί ώστε να είναι σύμφωνη με τις προδιάγραφες που ορίζει το εκάστοτε πρωτόκολλο επικοινωνίας. Στη συνέχεια εξετάζονται τεχνικές απόρριψης θορύβου, ο οποίος προκύπτει ως αποτέλεσμα του περιορισμένου εύρους ζώνης των καναλιών μετάδοσης δεδομένων, καθώς επίσης προτείνεται και σχεδιάζεται ένας ισοσταθμιστής απωλειών καναλιού συνεχούς χρόνου. Ο προτεινόμενος ισοσταθμιστής, εκμεταλλευόμενος την σημαντική μεταβολή του εύρους ζώνης που μπορεί να επιτευχθεί μέσω κατάλληλης αναπροσαρμογής των χαρακτηριστικών πόλωσης των κυκλωμάτων από τα οποία δομείται, καθιστά δυνατή την λειτουργία του σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Παράλληλα είναι ικανός προσφέρει βελτιστοποιημένη κατανάλωση ισχύος αναλόγως με την συχνότητα λειτουργίας.Έπειτα, η μελέτη εστιάζει σε τεχνικές παραγωγής ρολογιού πολλαπλών φάσεων. Η παραγωγή πολλαπλών φάσεων ρολογιού αποτελεί μια εκ των σημαντικότερων διεργασιών, την οποία θα πρέπει να είναι ικανό να πραγματοποιεί, ένα σύστημα χρονισμού που ενσωματώνεται στο πομπό ή το δέκτη ενός συγχρόνου συστήματος σειριακής μετάδοσης δεδομένων. Προτείνονται δυο νέες τοπολογίες παρεμβολέων φάσεων που προσφέρουν υψηλή ακρίβεια, μεγάλο συχνοτικό εύρος λειτουργίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος καθώς και τη δυνατότητα εύκολης επέκτασης της ευκρίνειας των παραγόμενων φάσεων μέσω απλών αναπροσαρμογών της τοπολογίας τους. Η ικανότητα των προτεινόμενων κυκλωμάτων να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικές εφαρμογές προσφέροντας βελτιωμένες επιδόσεις συγκρινόμενες με ήδη υπάρχουσες τοπολογίες στη βιβλιογραφία, επιδεικνύεται μέσω της σχεδίασης ενός βρόγχου ανάκτησης ρολογιού και δεδομένων. Τέλος, προτείνεται ένας πολλαπλασιαστής συχνότητας ρολογιού της τάξεως των GHz, ο οποίος βασιζόμενος στην τεχνική παραγωγής και πολυπλεξίας πολλαπλών φάσεων, είναι ικανός να πραγματοποιήσει πολλαπλασιασμούς συχνότητας με ακέραιο πολλαπλασιαστικό βήμα. Βασιζόμενο στην ίδια αρχή λειτουργίας το προτεινόμενο κύκλωμα μπορεί να πραγματοποιήσει, πέραν από ακέραιους, κλασματικούς πολλαπλασιασμούς, με απλή αναπροσαρμογή του κυκλώματος παρεμβολέα φάσεων. Το σύνολο των κυκλωμάτων που προτείνονται στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, έχουν σχεδιαστεί με βάση τις προδιάγραφες που ορίζει το M-PHY Standard, το οποίο είναι ένα από τα πιο σύγχρονα πρωτόκολλα σειριακής μετάδοσης δεδομένων για φορητές συσκευές.