基于CMOS工藝的高性能處理器時鐘系統(tǒng)，集成PLL可以從內(nèi)部觸發(fā)，比從外部觸發(fā)更快且更準確，能有效地避免一些與信號完整性相關(guān)的問題。
時鐘是嵌入式系統(tǒng)的脈搏,處理器內(nèi)核在時鐘驅(qū)動下完成指令執(zhí)行,狀態(tài)變換等動作.外設(shè)部件在時鐘的驅(qū)動下完成各種工作,比如串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、A/D轉(zhuǎn) 換、定時器計數(shù)等等。因此時鐘對于計算機系統(tǒng)是至關(guān)重要的，通常時鐘系統(tǒng)出現(xiàn)問題也是致命的，比如振蕩器不起振、振蕩不穩(wěn)、停振等。
下面介紹了一種基于CMOS工藝的高性能處理器時鐘系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計頻率為200MHz，VCO的相位噪聲為-110dBC/Hz@100kHz。作者詳細分析了鎖相環(huán)路的結(jié)構(gòu)及組成，并介紹了消除噪聲的設(shè)計方法。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖1：鎖相環(huán)在時鐘產(chǎn)生中應用。鎖相環(huán)廣泛應用于時鐘系統(tǒng)設(shè)計中，其中包括相位同步以及時鐘倍頻等應用。通常，當芯片工作頻率高于一定頻率時，就需要消除由于芯片內(nèi)時鐘驅(qū)動所引起的片內(nèi)時鐘與片外時鐘間的相位差，嵌入在芯片內(nèi)部的PLL可以消除這種時鐘延時。此外，很多芯片控制鏈邏輯需要占空比為50%的時鐘，因此需要一個2倍于此的時鐘源，集成在芯片內(nèi)部的PLL可以將外部時鐘合成為此時鐘源。系統(tǒng)集成PLL可以從內(nèi)部觸發(fā)，比從外部觸發(fā)更快且更準確，能有效地避免一些與信號完整性相關(guān)的問題。系統(tǒng)集成PLL的另一個顯著特點是通過調(diào)節(jié)位于鎖相環(huán)反饋回路中的時鐘樹緩沖區(qū)中的參數(shù)，鎖相環(huán)能夠產(chǎn)生相對于參考輸入時鐘頻率不同倍率的內(nèi)核時鐘，這種調(diào)節(jié)能確保芯片和外部接口電路之間快速同步和有效的數(shù)據(jù)傳輸。在高性能處理器時鐘系統(tǒng)設(shè)計中，通常需要鎖相環(huán)產(chǎn)生片上時鐘。本文以一種200MHz的時鐘系統(tǒng)設(shè)計為實例介紹一種基于鎖相環(huán)的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，其中輸入?yún)⒖碱l率是25MHz，相位噪聲為-100dBc/Hz@100kHz,壓控振蕩器增益為380MHz/V,工作電壓為5V。仿真和測試結(jié)果表明該設(shè)計能滿足系統(tǒng)要求。
以鎖相環(huán)為基礎(chǔ)的時鐘產(chǎn)生結(jié)構(gòu)如圖1所示：外部25MHz的參考時鐘信號或總線時鐘(BusCLK)先進入到一個接收緩沖器，在進入鑒頻鑒相器(PFD)之前要經(jīng)過一個分頻器，分頻系數(shù)為M1，得到圖1中φi，然后與從分頻器M6來的內(nèi)部反饋信號Фo在PFD中比較，得到誤差信號Фe，它將作為電荷泵以及濾波網(wǎng)絡的輸入，用以控制壓控振蕩器(VCO)。
VCO的輸出先經(jīng)過M3分頻，再通過緩沖以后產(chǎn)生系統(tǒng)的主時鐘PClk。同時，主時鐘在進入分頻器M6之前先通過H樹形時鐘分布網(wǎng)絡，最后返回鑒相器，這樣就形成了整個反饋回路。從平衡的角度來看， PFD的兩個輸入必須在頻率和相位上保持一致，因此所得到的芯片內(nèi)核時鐘和輸入的總線時鐘的比值fpclk/fbus必須與M6/M1相等。通過改變M6以及M1的值，可以得到輸入時鐘頻率的整數(shù)倍或者分數(shù)倍值。由于芯片要求時鐘不能出現(xiàn)漂移，所以輸出時鐘占空比以及系統(tǒng)的相位調(diào)整能力必須對環(huán)境以及工藝參數(shù)變化不敏感。VCO的輸出也可以切換到分頻器M5上，得到的輸出可作為二級高速緩存(L2)的時鐘。同理，fvco=M3×fpclk =M5×fL2CLK，二級緩存的輸出頻率也可以通過調(diào)整M3以及M1來得到理想的值。
整個環(huán)路中包括鑒相器、濾波器、壓控振蕩器、分頻器、共模抑制和鎖定檢測等模塊，以下介紹主要模塊的結(jié)構(gòu)：1. 鑒相器VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖3：壓控振蕩器結(jié)構(gòu)。數(shù)字鑒頻鑒相器產(chǎn)生的輸出信號能夠表達頻率及相位相對超前或者滯后信息，然后送到電荷泵。復位信號到達以后，θi的每一個上升沿都觸發(fā)“UP”信號，直到θo的一個上升沿到達，這樣就結(jié)束UP的置位狀態(tài)轉(zhuǎn)入系統(tǒng)復位狀態(tài)。同樣，如果θo上升沿先于θi到達， “DOWN”被置位，直到θi的一個上升沿到達，繼而轉(zhuǎn)入復位狀態(tài)。除非兩個輸入相位以及頻率非常接近，即進入所謂的“鑒相死區(qū)”，一般脈沖的寬度正比于兩個輸入之間的相差大小。
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