高速接口利用T-coil的带宽提升解决方案

高速接口利用T-coil的带宽提升解决方案

前言

高速接口市场概况

1.IO接口电容对带宽的恶化

为优化高速接口高频段的信号损耗，设计者通常会采用高灵敏度接收器及均衡器。然而，这些增加的电路模块不可避免地增大了系统功耗，因此我们希望能够找到办法尽可能减小这些IO接口的电容量。 接口电容主要是由ESD防护网络贡献，但是，较大的电压防护裕度导致ESD电容不宜设计得太小。另外，金属互联线和有源器件寄生电容都对IO接口电容带来不利影响，因此设计中的最大挑战在于如何不断减小这些接口电容，或者规避这些影响。

2.传统宽带提升方案的不足

3.T-coil带宽提升方案设计难度

对于高速IO接口的带宽提升方案，业界用的比较先进的方案是利用T-coil片上无源器件来实现。不过这种技术的原理及公式推导在2003年才公布于众，很多设计人员还不是很了解。而且T-coil无源器件共有4个指标参数，在设计仿真时，很多设计人员无从下手，不清楚如何设计优化这些关键参数。

图1 T-coil拓扑图

1.T-coil参数理论分析

芯和半导体已从设计理论层面对T-coil器件进行大量分析积累，T-coil的关键设计指标是自感L1、L2，耦合系数K，桥接电容Cb。因此首先要对这四个指标对应的等式方程有充分地理解，才能有的放矢地进行器件综合优化。 T-coil传递函数如图2所示，是一个四阶函数，包括2个零点和4个极点（从分子的二次方程和分母的四次方程可看出）。其中，M是L1和L2之间的互感。

图2 T-coil带宽提升系统的传递函数

假设L1=L2=L，并且选择好L的值，使得传递函数中分母的两个零点和分子中2个极点抵消掉。L值的选择，就是要满足下面两个条件式子，如下：

通过两个条件带入四阶传递函数，可以用两个极点抵消2个零点，得到一个二阶传递函数，其方程如下：

芯和半导体通过多次仿真验证并得出结论：当使用阻尼系数ξ=0.866进行计算时，得到T-coil方案能提升2.72倍带宽，而Inductive peaking方案仅提升1.6倍带宽。很显然，采用T-coil的优势巨大。

2.T-coil高效仿真建模

图3 Xpeedic-iModeler的T-coil器件优化流程

图4 T-coil优化扫描界面

3.T-coil仿真后处理

在进行T-coil仿真设计过程中，设计师需要利用电磁场公式对T-coil模型进行迭代分析，观察仿真结果是否满足指标要求。 芯和半导体提供了强大的S参数后处理软件SnpExpert，它内置了丰富的EM公式，通过这些T-coil公式可以快速分析仿真曲线是否符合要求。

图5 内置公式编辑

图6 快速绘制结果曲线

4.桥接电容扫描

图7 T-coil验证

图8是对实际电路中桥接电容Cb的扫描结果，分别为输入端的S11（上图）和负载电容处的3dB带宽（下图）。图中可见，不同桥接电容对应的S参数曲线，需要根据插损和回损图选择最优的结果。

图8 扫描结果

总结

本文首先从高速接口切入，讲述了负载电容对工作带宽的负面影响，并探讨了带宽提升有哪些途径，接着对T-coil的参数公式进行推导，从理论的角度提出了最优的T-coil解决方案。最后使用芯片无源器件建模软件iModeler进行方案的实例验证。如果还想对接口电路性能做进一步优化，设计者可以参考更为详细的文档，从电路层面进行调整，然后再用iModeler进行模型实现，并按照这种思路反复迭代直至满足指标。

审核编辑 ：李倩

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