版图和寄生参数改进 魏微 2014/10/28.

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1 版图和寄生参数改进 魏微 2014/10/28

2 内容 遗留问题： LVDS Driver初步设计 参考源模块 输入总线改进和带宽评估（√） Ramp动态范围改进和评估（√）
计数器带宽评估和总线驱动（√） LVDS Driver初步设计 参考源模块

3 输入总线寄生参数改进 寄生电阻：2.55ohm/cell → 0.65ohm/cell
寄生电容：6.89fF/cell → 8.51fF/cell 带宽改进： 改进前： 1：6.89fF/cell+2.55ohm/cell未端接：123.7MHz 2：6.89fF/cell+2.55ohm/cell端接50Ω：160.9MHz 改进后 3：8.5fF/cell+0.65ohm/cell未端接：228.3MHz 4：8.5fF/cell+0.65ohm/cell端接50Ω：476.1MHz 3 1 4 2 50Ω Testpoint

4 Ramp动态范围的改进和确定 减小尾电流源vdsat，能够少量增加ramp运放的动态范围
Corner分析中，仅ss/sf -20°下动态范围稍不够，其他Corner能满足0.4~1.4V线性动态范围 考虑到各种offset，将ramp的动态范围设置在350mV~1.4V比较合适： 采样单元+buffer输出的offset为：std约27mV，0V输入时输出基线最低约为0.35V Ramp启动基线和充电电流（量程）可以独立调节，根据情况调整 最低基线为400mV 满量程时PMT接近饱和，线性度已不重要 在450mV基线下，各Corner仿真线性度绝大部分为0.1%，两个corner为0.2% 改进前 改进后

5 Ramp运放的修改 为了实现ramp的动态范围覆盖0.35~1.4V，将ramp运放的输入级修改为轨到轨结构
输入动态范围扩展至较宽范围，可以适应较宽范围基线的变化 在0.3V~1.4V ramp输出时INL可在±0.1%左右，满足需要 1.4V 0.3V INL

6 计数器带宽评估 格雷码计数器 纯二进制码计数器 基于译码器方式 基于RAM查找表方式 异步计数器 同步计数器
添加时序约束后重新综合，工作频率可从500MHz→约800MHz 在ss，50°，1.8V电源下时钟周期可到1.2ns（833MHz），需要更全面的Corner检验 基于RAM查找表方式 编译较复杂，暂不考虑 纯二进制码计数器 异步计数器 本地计数器时序成立，但同步锁存时序不成立 DFF本征延时为175ps，10bit异步计数器总延时为1.75ns，考虑到沿和建立时间，无法满足2ns（500MHz）的时序 同步计数器 基于全加器、进位链，依然存在组合逻辑链 未添加时序约束时，极限频率比未时序约束的格雷码计数器稍高

7 格雷码计数数据总线驱动 按照寄生参数提取的结果，计数数据总线负载电容为860fF，按1pF集总电容估计
A B C 1pF 5fF 按照寄生参数提取的结果，计数数据总线负载电容为860fF，按1pF集总电容估计 锁存器输入电容4.1fF，按5fF估算 在ss，50°，1.8V条件下，上述驱动能够满足1.2ns时钟周期（833MHz时钟频率）的计数和总线锁存时序 计数器总结：考虑到各种裕量，时钟周期考虑取750MHz（1.33ns）~769MHz（1.3ns），要求： 时钟频率可以通过VCO偏压进行调节 Ramp量程应和计数器时钟频率相匹配，因此ramp基线和充电电流都要求独立调节 需要进行全面的Corner分析、布线和寄生参数提取后，再次全面评估计数器工作频率 模块输出（A） 总线驱动后（B） 各bit整形后（C） 理想格雷码 Ss，50°，1.8V，clk=769MHz

8 格雷码计数器版图和后仿真 采用ICC完成版图和布线，进行后仿真验证：
Tt，27°，1.8V条件下，能够工作在clk period=1.3ns条件下 Ss，50°，1.8V，时钟周期最低为1.6ns（625MHz） 可能需要进一步调整版图时序约束 100μm×127μm 后仿真，clk period=1.3n：tt/sf/fs, 27°，√ 后仿真，clk period=1.3n：ss, 27°，×

9 二进制码计数器 后仿真计数器模块能在ss, 50°, 1.8V条件下工作在时钟频率769MHz（1.3ns）下
全加器 数据总线建立时间 40μm×120μm 后仿真计数器模块能在ss, 50°, 1.8V条件下工作在时钟频率769MHz（1.3ns）下 由于二进制码总线的建立时间增加： 需要在版图中注意各条总线负载的一致性，保证各位延迟一致 需要增加计数时钟的扇出，以便锁存数据 需要对甄别器输出增加异步→同步逻辑，保证计数结果锁存发生在建立完成阶段

10 计数器结构选择和设计 二进制计数器带宽有保证，但版图中需扇出时钟树以便将甄别器输出从异步域转为同步域
格雷码计数器传输比较可靠，不需要扇出时钟树，仅需扇出数据，但运行的最高速度还不确定 设计中计划将以二进制时钟为主，格雷码计数器为测试通道 需要时钟、ramp的配合

11 LVDS Driver 每单元变换数据10bit，每通道256单元，暂未采用ROI等数据压缩算法
假设采用200Mbps以上串行读出，每通道采用10-to-1串行读出，则每通道读出时间为12.8μs 如采用更慢的读出时钟，则读出时间太长，应用受限 只能采用大于200Mbps的读出时钟 为LVDS读出驱动器的目标频率 Main Stage （Double Source） CMFB 数据读出结构框图

12 LVDS Driver初步仿真结果 Corner仿真PT 15corner，vdd=1.8V Clk=333MHz，CL=5pF
共模电平：1.18mV~1.19mV 差模幅度：312mV~391mV Tt下可运行至500MHz (CL=5pF时) 功耗：8mA×1.8V 初步满足了设计目标 需进一步仿真检验

13 参考源设计 产生参考电压、参考电流，主要提供ramp信号进行积分速率、基线位置调节
输出电压vs温度 5corners 启动电路 偏置产生 Error Amp 参考源 产生参考电压、参考电流，主要提供ramp信号进行积分速率、基线位置调节 Corner仿真的结果：在 -40°~ 80°温度范围内，温度改变不超过30ppm/℃ 添加启动电路前、后启动特性： 5corners

14 Thank you！ 后续工作 完成一个通道的完整逻辑和版图，并进行全通道实际原理图的仿真 通道Trigger相关的设计和逻辑考虑
测试相关模块的设计和逻辑考虑 次要通道的设计、时钟测试模块等 其他模块的设计 Ramp的版图 参考源设计 Thank you！