前言

本系列整理數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識體系架構(gòu)，為了方便后續(xù)自己查閱與求職準(zhǔn)備。時(shí)鐘作為數(shù)字系統(tǒng)中的“心臟”，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文主要介紹了數(shù)字設(shè)計(jì)中的常見的時(shí)鐘產(chǎn)生電路和時(shí)鐘類型，并進(jìn)行相關(guān)分析簡介。

時(shí)鐘產(chǎn)生電路

環(huán)形振蕩器

奇數(shù)個(gè)反相器首尾相連即構(gòu)成環(huán)形振蕩器（簡稱 「“環(huán)振”」 ），每個(gè)反相器兩端出現(xiàn)周期性振蕩信號。

環(huán)形振蕩器

假定每個(gè)反相器都相同，所產(chǎn)生的時(shí) 鐘周期T或頻率f取決于反相器鏈的級數(shù)N和反相器的傳播延時(shí)tp

可通過改變反相器的級數(shù)以及每個(gè)反相器的面積來改變輸出的時(shí)鐘頻率。

「環(huán)形振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：」

「優(yōu)點(diǎn)：」 電路簡單，無需外接元器件，完全片上集成。

「缺點(diǎn)：」 頻率精度差，隨工藝、電源電壓離散的變化大；頻率穩(wěn)定性差，隨時(shí)間、 溫度的變化大。

針對該時(shí)鐘的特點(diǎn)，因此該時(shí)鐘適用于對精度和穩(wěn)定度要求都不高的片上時(shí)鐘產(chǎn)生器。

晶體振蕩器

晶體震蕩電路主要構(gòu)成如下，主要由晶體諧振器產(chǎn)生震蕩，電容進(jìn)行濾除振蕩產(chǎn)生的諧波，放大器將篩選出的頻率進(jìn)行維持并進(jìn)行放大，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。

石英晶體兩端加上電壓后，就會產(chǎn)生振蕩電流（機(jī)械能 電能），振蕩頻率由晶體的尺寸與形狀決定（晶體越薄越小，頻率越高）。

「晶體振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：」

「優(yōu)點(diǎn)：」 晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性高，可達(dá)10 ^ -6 (ppm)， 而環(huán)形振蕩器只能達(dá)到 10 ^ -2(ppm)。

「缺點(diǎn)：」 晶體振蕩器輸出頻率范圍一般不超過100MHz，難以滿足現(xiàn)代高速數(shù)字IC的更高時(shí)鐘頻率要求；而且采用非硅工藝的石英諧振器，無法片內(nèi)集成；輸出頻率難以調(diào)節(jié)，只能產(chǎn)生單一頻率。

PLL鎖相環(huán)電路

鎖相環(huán) (PLL) 是一種反饋電路，且為模擬電路，性能受工藝、電源噪聲、溫度等的 影響顯著，設(shè)計(jì)難度較大。

PLL電路的工作原理是將外部信號的相位與壓控晶體振蕩器 (VCXO) 產(chǎn)生的時(shí)鐘信號的相位進(jìn)行比較。然后，電路調(diào)整振蕩器時(shí)鐘信號的相位以匹配參考信號的相位。因此，原始參考信號和新信號彼此是精確同相的。

PLL鎖相環(huán)電路

一個(gè)鎖相環(huán)PLL電路通常由以下模塊組成：

「鑒相鑒頻器PFD（Phase Frequency Detector）：」 將分頻后的反饋時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的相位進(jìn)行比較，若反饋時(shí)鐘滯后/領(lǐng)先參考時(shí)鐘，則發(fā)生一個(gè)Up/Down信號。該信號的大小正比于所檢測到的相位差。

**電荷泵： ** 電荷泵將Up/Down信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)較大/較小的模擬控制電壓Vcont，以便加速/減慢VCO， 從而消除反饋時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的相位差。

「低通濾波器（環(huán)路濾波器）LPF（Low-Pass Filter、Loop Filter）：」 用于濾除Vcont中的高頻成分并平滑其響應(yīng)，減少本地時(shí)鐘的抖動。

「壓控振蕩器VCXO（Voltage Controlled Oscillator）：」 壓控振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘信號，信號的頻率受輸入電壓Vcont的控制。利用變?nèi)?a target="_blank">二極管（偏置電壓的變化會改變耗盡層的厚度，從而影響電容大?。┡c電感構(gòu)成的LC諧振電路構(gòu)成，提高變?nèi)荻O管的逆向偏壓，二極管內(nèi)耗盡層變大，電容變小，LC電路的諧振頻率提高，反之，降低逆向偏壓時(shí)，二極管內(nèi)電容變大，頻率降低。

DLL和PLL具有類似的功能，可以完成時(shí)鐘高精度、低抖動的倍頻和分頻，以及占空比調(diào)整和移相等功能。DLL即Delay Lock Loop，主要是用于產(chǎn)生一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)間延遲，且這個(gè)delay不隨外界條件如溫度，電壓的變化而改變。PLL利用壓控振蕩器調(diào)整頻率來改變相位，DLL利用壓控延遲線調(diào)整延時(shí)來改變相位。

DLL調(diào)整相位的方法是用壓控延遲線（VCDL，Votage-Controlled Delay Line）而非 VCO，通過改變延時(shí)而非頻率。

「PLL/DLL電路的優(yōu)缺點(diǎn)如下：」

「優(yōu)點(diǎn)：」 穩(wěn)定性好，無需積分運(yùn)算，極點(diǎn)少；鎖定速度快，PLL需要先鎖定頻率再鎖定相位，DLL直接鎖定相位；抗抖動與噪聲性能好，無環(huán)振VCO 那樣的反饋路徑，對工藝與環(huán)境波動不敏感；可直接產(chǎn)生多相時(shí)鐘。

「缺點(diǎn)：」 無法改變輸出頻率，不能倍頻，不 能產(chǎn)生多個(gè)時(shí)鐘頻率；調(diào)節(jié)范圍較大時(shí)，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤鎖定。

時(shí)鐘類型

全局時(shí)鐘

全局時(shí)鐘(Global Clock)。一般的時(shí)鐘都指的是全局時(shí)鐘，全局時(shí)鐘在芯片中的體現(xiàn)形式是時(shí)鐘樹。

時(shí)鐘樹

它是由片上的時(shí)鐘管腳引入，經(jīng)過鎖相和放大之后進(jìn)入時(shí)鐘樹，輸出給寄存器的穩(wěn)定、可靠的時(shí)鐘信號。這種時(shí)鐘的時(shí)延通常被設(shè)計(jì)得最小，相對抖動也最小。

內(nèi)部時(shí)鐘

對于內(nèi)部時(shí)鐘最早的接觸應(yīng)該就是使用計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值的相關(guān)邏輯做分頻時(shí)鐘。但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，該部分會導(dǎo)致設(shè)計(jì)功能和時(shí)序問題。組合邏輯電路的常見的引起設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的問題：毛刺和延時(shí)，同時(shí)也是組合邏輯搭建的時(shí)鐘所面對的問題。往簡單了說，組合邏輯的毛刺會引起功能的異常，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定；延時(shí)會引起在時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)序分析的相關(guān)問題，下面就這兩方面進(jìn)行說明。

組合邏輯搭建的時(shí)鐘產(chǎn)生器會引入毛刺，使功能出現(xiàn)問題，此外由組合邏輯所導(dǎo)致的延遲也會導(dǎo)致時(shí)序方面的問題。在同步設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)輸入端的毛刺不會引起任何問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)是在時(shí)鐘邊沿處捕獲的，所以可以將毛刺自動濾掉。然而，如果毛刺或尖峰脈沖出現(xiàn)在時(shí)鐘輸入端（或者寄存器的異步輸入端)就會產(chǎn)生明顯的影響。

下圖通過邏輯設(shè)計(jì)產(chǎn)生了時(shí)鐘，時(shí)鐘產(chǎn)生部分包含一些組合邏輯，而計(jì)數(shù)器的寄存器是對邊沿敏感的，這就導(dǎo)致下圖的設(shè)計(jì)毛刺會明顯影響到計(jì)數(shù)器的值。

邏輯設(shè)計(jì)時(shí)鐘產(chǎn)生

在下面這個(gè)例子中可以看到，由于時(shí)鐘沿處的毛刺，計(jì)數(shù)器在所示的時(shí)鐘周期上遞增了兩次。由于時(shí)鐘毛刺的作用，計(jì)數(shù)器增加了額外的計(jì)數(shù)值，這樣就可能導(dǎo)致功能出現(xiàn)問題。

毛刺導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤

窄毛刺會違背寄存器的最小脈沖寬度要求。在毛刺到達(dá)時(shí)鐘輸入端時(shí)，如果寄存器的數(shù)據(jù)輸入變化，會違背建立和保持時(shí)間。即使設(shè)計(jì)沒有違背時(shí)序要求，寄存器也可能輸出意料之外的值，使整個(gè)設(shè)計(jì)功能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。

解決毛刺引發(fā)的設(shè)計(jì)功能問題，最簡單的辦法就是使用寄存器在時(shí)鐘產(chǎn)生邏輯后寄存輸出，這樣無論前級的時(shí)鐘產(chǎn)生部分的代碼是否存在毛刺，都使用觸發(fā)器做了寄存，降低了毛刺引起功能錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

解決方法

分析完毛刺的影響，下面分析下組合邏輯構(gòu)建的時(shí)鐘引入的延遲問題。

用來產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘的組合邏輯也會增加時(shí)鐘線上的延遲。在某些情況下，時(shí)鐘線上的邏輯延遲會導(dǎo)致時(shí)鐘偏移比兩個(gè)寄存器之間的數(shù)據(jù)路徑延遲更大。如果時(shí)鐘偏移大于數(shù)據(jù)延遲，就會違背寄存器的時(shí)序要求，設(shè)計(jì)的功能也不會正確。

因此，就需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘時(shí)盡量減少時(shí)鐘偏斜，一種減少時(shí)鐘偏移的方法是將產(chǎn)生的時(shí)鐘放到SoC中高扇出且低偏移值的時(shí)鐘樹上。「使用低偏移值時(shí)鐘樹有助于減少信號整體的時(shí)鐘偏移?！?/strong>

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