一种基于10Base T标准接口放大电路的设计

1 引言
10Base－T是1990年IEEE通过的以太网物理层标准。在OSI（开放系统互连）网络协议标准中的位置如[1]。
现在以太网已经发展到以IEEE802.3ae为标准的10000Base－X以太网[2]，本文提出对10Base－T放大电路的设计主要是因为目前许多的终端网络设备10Base－T接口为主，以及其本身技术特点（如编码的特性）和性能稳定性，在某些要求传输速率不高，但对工作稳定性要求高的系统中仍是较好的选择，在10Base－T标准中，在双绞线上传播的两类相位差180度的曼彻斯特编码的差动信号（在实际传输过程中，因发送器对曼彻斯特码进行了预失真处理以消除码间干扰，传输信号与理想曼彻斯特码有所不同）[3]，在局域网络系统中，数据信号是以矩形波形式传播的，其特点是衰减快、容易受干扰以及信号通过耦合变压器时产生的基带漂移等现象[4]，所以在10Base－T的设备接口中要对传输进来的信号进行放大和整形。本文设计的前置放大器用于处理双绞线传输过来的信号，具有降低噪声干扰、整体信号波形、放大传输信号并将模拟信号转化为数字信号的功能，不需要额外的滤波器和A/D转换器，此外，电路设计中大量采用重复模块，以提高电路的可靠性，同时将以往相同功能电路0.5μmCOMS工艺改进到0.25μmCOMS工艺，减少了芯片功耗和占用面积。

2 整体结构
基于传输信号的类型和特点，设计了与之相对应的接口电路。电路由P端和N端输入端口、R1和R2电阻网络模块、Z1至Z14信号整形和放大模块、S1偏置模块、Buffer1和buffer2缓冲模块共同组成，其中电路结构框图如所示。

从双绞线上送过来的两列差动信号分别从P端和N端进入R1和R2模块经过简单处理后，分别变化8对差动信号送入整形和放大模块，信号经过整形放大产生4对差动信号送入第二级整形和放大模块，产生2对差动信号再送入第三级整形和放大模块经过2个缓冲模块输出。
3 模块设计
3.1 电阻网络模块
电阻网络模块具体电路设计如所示。

电路的前部分是电阻网络，其中R1－R8都是阻值相等，特性相同的电阻，用来提高输入阻抗，将两个正负信号分成四路进入放大和整形模块，R4和R8两个电阻分别接电源和地，用来增大P端和N端之间直流电平的差值（）。

从图中可以看到通过上述电阻拉高和拉低的作用，使得两个差分信号的差分电压变的更大，这将有利于其后的放大和整形模块的工作。
3.2 放大和整形模块
放大和整形模块具体电路设计如所示。

由于从输入端进来的信号都是高电平或低电平的差动信号，放大电路的设计主要是采用镜像差动[5]，对放大整形模块电路进行大信号分析，这里假设M5是理想的电流源，如果Vin1端输入低电平信号，在Vin2端输入高电平信号，则M1管被关断，同时M3、M4也被关断，这时从电源到地的通路都被关断，电源和地之间没有电流流过，M2和M5管工作深线性区，传输电流为零，因此Vout与地端同电位。当Vin1端输入高电平，Vin2端输入低电平时，这时M2管被关断，流过M4的电流为零，M4管工作在深线性区，因此Vout与电源端同电位，由于在两路信号高低电平转换的状态下，存在一个Vin1的电位与Vin2的电位相同的状态，假设在两边电路对称，MOS管的参数都对称的情况下，设流过M1管和流过M2管的电流相同，都等于流过M5管的电流的一半，所以Vout＝Vdd－|Vgs3|＝Vdd－|Vgs4|[6]，放大器的设计在电源和地之间引入M6和M7，在Vb和地之间引入M8。M6，M7，M8都采用电容的方式连接。主要用于降低因电源的噪声引起对放大信号的干扰，加强电路的稳定性。综上所述，在理想的情况下，放大器的输出摆幅在地电位和电源电位之间，而实际上，电路很难得做到完全对称，所以即使在输入完全差动的信号进来，Vout也会有很大的波动，但因为在10Base－T标准中，信号是高低电平的大信号，一定程度上可以忽略微小的不对称。
3.3 偏置模块
偏置模块具体电路设计如所示。

在中，可以看到每个差分放大器是三端输入单端输出，其中S1的输入端连着每一个放大器，主要作用是为放大的尾电流源提供偏置电压。从可以看到，采用两个并联的二极管连接的NMOS管接地来为中的M5尾电流源提供偏置电压。用单一的复制电路提供偏置电压可以保证每个放大器的偏置电压相同并且在芯片实现时减少占用面积。
3.4 缓冲模块
缓冲模块具体电路设计如所示。

前面经过两极放大和整形的信号仍带有模拟信号的特点，经过缓冲模拟后信号得到进一步滤波从而完全转变为数字信号。
4 版图设计与仿真结果
由于整个电路的版图比较大而且重复单元比较多，这里只展示电路的部分，即放大整形模块版图设计（）。

整个电路以模拟电路居多，仿真时采用电路网表与电路版图相结合，并采用synopsys公司的软件，基于Hspice模型进行验证，激励信号模拟在双绞线中传输的差动信号并且受到噪音信号干扰。具体激励信号如所示。

激励信号经由P端和N端进入，输出端口得到如10所示的信号。