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边缘计算、自动驾驶、高清视频流和工业物联网等新技术和新应用的兴起,加速了高速串行接口的发展,单通道数据速率大约每3到4年就会提高一倍。然而随着速率提升,Ser Des芯片的功耗、信号完整性和电路复杂度等问题也会变得更加严峻,仅靠CMOS工艺的提升不能完全解决这些问题,这也是为什么高速低功耗接收机一直是研究热点。在此基础上,为了提供更加灵活的互连解决方案,降低定制SOC系统的时间和设计成本,并且满足不同的应用场景需求,本文所设计的接收机需要支持更多的高速电气接口标准,例如PCIe 4.0、DP 1.4、USB 3.2Gen2×2、SATA 3.2和JESD204B等。但是多标准的接收机会面临更多技术挑战,比如:交流耦合信道带来的数据相关型抖动、不同的数据速率和信道补偿要求、更高的抖动转角频率和抖动容忍度,甚至有些协议还要求接收机能支持扩频时钟。针对上述问题与挑战,本文开展了均衡补偿和时钟数据恢复技术的研究工作,基于SMIC 40 nm工艺,设计了一款速率高达20 Gbps的低功耗多标准接收机,并进行了流片和封装测试。首先,本文对目前主流的电气接口标准进行了深入研究。设计了抗工艺电压和温度变化的前端阻抗匹配网络,分析了连续时间均衡器（Continuous time equalizer,CTLE）在多标准下将面临的挑战,设计了一款高带宽、高增益且能满足多标准要求的CTLE。在结构上选用两级级联结构,第一级主要用于高频峰值增益补偿,第二级用于提升中低频增益以便改善串扰和趋肤效应等带来的长期残余ISI。采用负米勒电容技术和改进的负电容技术来拓展带宽,避免采用电感带来的面积增加。另外,在第二级均衡器的负反馈路径中插入了一组零点提供电路,进一步提高CTLE的带宽。为了提高峰值增益带宽的调节范围,每级均衡器的尾电流和退化电容都是可调的。为了增加直流增益的调节范围,本文还在负反馈回路上加入了两个差分放大器来提高反馈路径增益,因为更大的反馈增益有利于拓宽DC增益下限。后仿结果显示本文设计的CTLE最大boost增益有几乎30 d B,最大低频增益调节范围可以从-18.4 d B到4.9 d B,峰值增益带宽可以从3.7 GHz调节到11.4 GHz。当接收机用在数据速率较小（<10 Gbps）的接口标准中时,可以通过关闭某个或全部负电容电路和调节尾电流大小,来进一步降低功耗。其次,在充分了解多标准对时钟数据恢复电路（Clock and data recovery,CDR）的性能要求和考虑到有些标准需要多个接收通道后,选用最适合多标准接收机的CDR结构,即相位插值型数字CDR。本文最终实现4通道接收机,因为采用PI-CDR结构,通道之间可以共用一个锁相环,这将极大节省芯片面积和功耗。再仔细分析了CDR中各个子模块的噪声,建立了整个CDR的带噪声简化频域模型,有利于整体性能评估。接着探讨了环路增益、延迟和工作频率等参数对CDR抖动性能和频率追踪范围的影响,为电路设计奠定了基础。为了降低鉴相器的量化噪声,设计了一种基于滑动平均滤波器的多数投票器,该投票器具有结构简单,功耗面积要求低的特点,能够提前滤除鉴相器的冗余输出结果。还提出了一种新型的具有部分噪声整形的高速数字滤波器（Partial-noise-shaping based digital loop filter,PNS-DLF）,很好地降低了数字滤波器中由于加法器的输出截断产生的量化噪声,从而提高了抖动容忍度,并且没有消耗太多的面积和功耗。通过减小相位累加器的位宽、采用超前进位加法器和全定制数字版图设计,充分挖掘了工艺潜能,使得数字滤波器的工作频率最高可达5 GHz,这不仅提高了抖动带宽,还进一步改善了抖动容忍度。最后,本文基于SMIC 40 nm工艺和先进的扇出型封装技术,实现了一款支持多标准、速率范围为5～20 Gbps的高性能有线接收机。封装后实测结果显示:经CTLE恢复的10 Gbps数据,在大于14 d B损耗下,眼图张开有0.68 UI。输入的10 Gbps PRBS-31数据经过5000 ppm SSC调制后,在10-12误码率下,测得接收机的高频（>50 MHz）抖动容忍度依然有0.34 UI,抖动转角频率大于10 MHz,满足目前主流标准的抖动容忍度模板。相比于未采用PNS-DLF的常规数字CDR,本文接收机的高频抖动容忍度有0.05 UI改善,能更好满足DP 1.4,PCIe 4.0和USB 3.2Gen2×2等比较严格标准的要求。因为CDR的频率追踪范围高达±31 kppm,所以本文提出的接收机更能适用于某些需要支持SSC应用的标准。在1.2 V电源电压和22 d B信道损耗下,输入为20 Gbps PRBS-31数据时,内建PRBS检测器测得误码率小于10-12,在包括锁相环功耗情况下,单通道接收机能效还能达到4.3m W/Gbps。整个接收机的面积为760×670μm2,单个接收通道的面积为0.062 mm2。其中CTLE的功耗仅为13 m W,面积为0.012 mm2。综上所述,本文提出的有线串行接收机具有良好的性能,能适用于大多数电气接口标准,具有较强的学术意义和工程实用价值。