4.3 非理想效應
4.3.3 ISI 抖動
根據定義，抖動(jitter)可分為兩大類，第一類為 RJ(random jitter)，此類抖動的特色 為隨機產生的雜訊抖動，而抖動的機率分布為高斯分佈且為無界的(unbounded)；第二類 為 DJ(deterministic jitter)，此類抖動的特色為重複、可預測且非為高斯分佈且為有界 (bounded) 的 抖 動 。 在 此 章 節 要 討 論 的 ISI 抖 動 (inter-symbol interference) 又 稱 DDJ(data-dependent jitter)，此類抖動與輸入訊號有很大的關連，因此並非高斯分佈的抖 動，可歸類於DJ 之下。
在傳統數位邏輯電路中，ISI 抖動通常發生在當輸入為隨機的數位訊號，且電路操 作在設計的臨界速度時的ISI 抖動尤為嚴重，在此舉例說明：若資料轉換的時機是在一 連串相同的資料之後，此時輸出的轉態時機將會稍微落後，因此在輸出眼狀圖上就會有 明顯的不均勻分布。而在拔靴帶式電路中，還有另一項原因將造成ISI 抖動產生，即為 升降壓電容充放電不完全所致。雖然在低電壓低速的應用時，電路受ISI 抖動的影響並 不大；但在低電壓高速的應用時，ISI 抖動的影響仍將非常嚴重。
在傳統的拔靴帶式電路中，負責對電容充放電的電晶體仍然操作在低壓環境，電流 驅動能力明顯不足，當電路操作在高速時，將會發生升降壓電容充電不及的情形，倘若 不解決此問題，此電路的頻寬將被限制。在此以型態一拔靴帶式反相器為例，節點說明 如圖4.22，模擬波形如圖 4.23，當我們將此電路應用於中繼器使用時，輸入 10Mbps 的 隨機訊號，觀察節點1 與節點 2 的電壓波形，在連續 0 與 1 轉換時，電容明顯充電不及，
在電容尚未充滿時即轉態，將導致升降壓後的電壓值不一，進而影響後端反相器驅動能 力，造成輸出訊號的ISI 抖動增加，如圖 4.24，此時輸出眼狀圖的開口為 0.65UI。
第四章 中繼器電路
MP1
MN1
VIN VOUT
C1 C2
INV
VDD
VDD Node1
Node2
圖4.22 型態一拔靴帶式反相器的節點說明
0.2v
0v
0.374v 0.355v 0.374v
0.355v
-0.163v -0.179v -0.163v -0.170v
Voltage (volt)
node1 node2
(Segment length = 1000um ; Data rate = 10Mbps ; 10th segment) 圖4.23 使用型態一拔靴帶式中繼器的模擬結果
第四章 中繼器電路
Output eye diagram
0.65UI
圖4.24 使用型態一拔靴帶式中繼器的輸出眼狀圖
若我們調整圖 4.22 中電晶體MN1與MP1的尺寸，增加電晶體的電流驅動能力，使之 足以在最短時間內充放電完成，則改善後的模擬結果如圖4.25，可看出升降壓後的電壓 較之前趨於一致，但因為寄生電容增加，導致升降壓的效果較差，約下降20mV。而在 輸出眼狀圖的表現如圖4.26，可看出眼狀圖開口為 0.93UI，較之前改善許多。
0.2v
0v
0.350v 0.348v 0.350v 0.348v
-0.157v -0.160v -0.158v -0.159v
Voltage (volt)
node1 node2
(Segment length = 1000um ; Data rate = 10Mbps ; 10th segment) 圖4.25 使用型態一拔靴帶式中繼器的模擬結果(改善後)
第四章 中繼器電路
Output eye diagram
0.93UI
圖4.26 使用型態一拔靴帶式中繼器的輸出眼狀圖(改善後)
以上的方式雖然可以減少ISI 抖動的產生，但是仍有頻寬上的限制，主要的原因是 負責充放電的電晶體仍操作在低壓，電流驅動能力不足，增加電晶體尺寸又會使寄生電 容增加，降低升降壓的效果。因此，在型態二拔靴帶式反相器電路中，就解決了充放電 電晶體驅動力不足的問題，使電路可以操作在更高的頻率。
接著將型態二拔靴帶式反相器應用於中繼器使用時，在高頻仍有ISI 抖動改善的空 間，節點說明如圖 4.27，模擬波形如圖 4.28。當我們輸入 30Mbps的隨機訊號，觀察節 點 1 與節點 5 的電壓波形，可以發現雖然電晶體MN1與MP1的驅動能力提升，但是卻產 生了另一個問題：當電晶體MP1導通開始對電容C2充電時，節點 1 的電壓快速被拉起，
如同產生一高頻訊號，此高頻訊號將藉由電容C2使節點5 的電壓同時被拉起，這時候就 需要靠前端反相器INV2 的NMOS電晶體把節點 5 的電壓拉回GND，假設節點 5 的電壓 無法在最短的時間內拉回GND，則電容C2充電不完全，將導致升壓後的電壓值不一，造 成輸出的抖動增加。此時輸出的眼狀圖如圖4.29 所示，眼狀圖的開口為 0.69UI。
第四章 中繼器電路
VIN VOUT
C1 C2
VDD
MP1
MN1 Node5
VDD Node1
INV1
INV2
INV3
圖4.27 型態二拔靴帶式反相器的節點說明
0.2v
0v
Voltage (volt)
node1 node5
(Segment length = 1000um ; Data rate = 30Mbps ; 10th segment)
0.375v 0.383v 0.376v 0.374v 0.380v
圖4.28 使用型態二拔靴帶式中繼器的模擬結果
第四章 中繼器電路
Output eye diagram
0.69UI
圖4.29 使用型態二拔靴帶式中繼器的輸出眼狀圖
因此我們調整圖4.27 中的反相器 INV2 的 NMOS 與 INV3 的 PMOS 尺寸，以增加 電晶體的電流驅動能力，使之足以在最短時間內充放電完成，則改善後的模擬結果如圖 4.30，可看出電容在最短時間內充電完全，因此升降壓後的電壓較之前趨於一致，但也 因為寄生電容的增加，導致升降壓的效果較差。而在輸出眼狀圖的表現如圖4.31，可看 出眼狀圖開口為0.86UI，較之前改善許多。
0.2v
0v
Voltage (volt)
node1 node5
(Segment length = 1000um ; Data rate = 30Mbps ; 10th segment)
0.382v 0.383v 0.382v 0.381v 0.383v
圖4.30 使用型態二拔靴帶式中繼器的模擬結果(改善後)
第四章 中繼器電路
Output eye diagram
0.86UI
圖4.31 使用型態二拔靴帶式中繼器的輸出眼狀圖(改善後)