摘要：延時(shí)鎖相環(huán)(DLL)是一種基于數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘管理技術(shù)。DLL可用以消除時(shí)鐘偏斜，對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻、倍頻、移相等操作。文中介紹了FPGA芯片內(nèi)DLL的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案，在其基礎(chǔ)上提出可實(shí)現(xiàn)快速鎖定的延時(shí)鎖相環(huán)OSDLL設(shè)計(jì)。在SMIC 0．25μm工藝下，設(shè)計(jì)完成OSDLL測試芯片，其工作頻率在20～200 MHz，鎖定時(shí)間相比傳統(tǒng)架構(gòu)有大幅降低。
關(guān)鍵詞：延時(shí)鎖相環(huán)；FPGA；快速鎖定

    微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得FPGA具有更高的系統(tǒng)集成度和工作頻率。系統(tǒng)性能較大程度上決定于系統(tǒng)的時(shí)鐘延遲和偏斜。由于FPGA具有豐富的可編程邏輯資源及時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，隨之而來的時(shí)鐘延遲問題使得用戶設(shè)計(jì)的性能大打折扣。FPGA中的DLL模塊可提供零傳播延時(shí)，消除時(shí)鐘偏斜，從而進(jìn)一步提高了FPGA的性能和設(shè)計(jì)的靈活性。
    PLL是常用的時(shí)鐘管理電路，主要是基于模擬電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，而DLL主要是基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。雖然在時(shí)鐘綜合能力上比PLL差，但由于具有設(shè)計(jì)仿真周期短，抗干擾性強(qiáng)，以及工藝可移植等特點(diǎn)，DLL非常適合在數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)中使用，這也是FPGA采用DLL作為時(shí)鐘管理的原因。文中將介紹傳統(tǒng)FPGA片內(nèi)延時(shí)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上提出具有更快鎖定速度的新延時(shí)鎖相環(huán)架構(gòu)OSDLL。

1 FPGA片內(nèi)DLL結(jié)構(gòu)及工作原理
1．1 DLL架構(gòu)設(shè)計(jì)
    圖1為FPGA片內(nèi)DLL結(jié)構(gòu)框圖。圖1中FPGA片內(nèi)用戶設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯部分在布局布線后，位于芯片中部，相應(yīng)的時(shí)鐘走線較長。為緩解時(shí)鐘緩沖、重負(fù)載時(shí)鐘線的大電容、線路的傳播延時(shí)等因素造成的時(shí)鐘偏斜，可以選擇使用DLL模塊進(jìn)行時(shí)鐘優(yōu)化管理。

    圖1中，DLL主要由鑒相器(PD)、可調(diào)延時(shí)鏈、數(shù)字控制邏輯以及時(shí)鐘生成模塊組成。CLKOUT為DLL輸出時(shí)鐘，即時(shí)鐘生成模塊的輸出時(shí)鐘；CLKS為經(jīng)過時(shí)鐘線后到達(dá)時(shí)序電路的偏斜時(shí)鐘；CLKFB即為CIKS，反饋時(shí)鐘CLKFB反饋回DLL。DLL的功能為通過在時(shí)域中調(diào)節(jié)CLKOUT的相位使得CLKFB與CLKIN同步，即消除時(shí)鐘偏斜。
1．2 DLL工作原理
    DLL的工作過程依賴于控制邏輯的設(shè)計(jì)。DLL的控制邏輯主要包括SHIFT控制邏輯和SYN控制邏輯兩部分，如圖2所示。DLL的工作過程首先進(jìn)行SHIFT階段，之后進(jìn)行SYN階段。

    從圖2可見，可調(diào)延時(shí)鏈共5條，即一條主可調(diào)延時(shí)鏈(延時(shí)鏈0，256個(gè)延時(shí)單元)，4條子可調(diào)延時(shí)鏈(延時(shí)鏈1～4，各128個(gè)延時(shí)單元)。如圖2所示，4條子延時(shí)鏈，SHIFT邏輯和一個(gè)鑒相器(PD2)構(gòu)成相移器。SHIFT階段，相移器工作。相移器采集第一級(jí)子延時(shí)鏈的輸入時(shí)鐘clk_ph_0和最后一級(jí)延時(shí)鏈的輸出時(shí)鐘clk_ph_360，根據(jù)鑒相結(jié)果同步調(diào)整4條子可調(diào)延時(shí)鏈的延時(shí)，直至clk_ph_O和clk_ph_360同步。經(jīng)過相移器的時(shí)鐘延時(shí)是一個(gè)周期，從而使得時(shí)鐘經(jīng)過相移器中的每個(gè)子延時(shí)鏈的輸出時(shí)鐘相移90°，對(duì)應(yīng)圖2中分別為clk_ph_O，clk_ph_90，clk_ph_180，clk_ph_270，clk_ph_360。這些相移的時(shí)鐘可以根據(jù)實(shí)際的需要由時(shí)鐘生成模塊產(chǎn)生所需要分頻(CLKDV)，倍頻(CIK2X)或移相時(shí)鐘作為輸出時(shí)鐘，關(guān)于分頻和倍頻電路，如文獻(xiàn)。SYN邏輯用于控制將反饋時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘調(diào)整至同步。
    整個(gè)SHIFT階段和SYN階段都是在各自的控制邏輯模塊控制下工作的，以一定的工作節(jié)拍實(shí)施調(diào)整，如圖3所示。

    圖2中工作節(jié)拍模塊生成工作節(jié)拍信號(hào)(SHIFT_C，SYN_C)。在工作節(jié)拍下，狀態(tài)機(jī)處于某一狀態(tài)，則根據(jù)狀態(tài)的調(diào)整要求依次進(jìn)行如下操作：鑒相，判斷出輸入時(shí)鐘和反饋時(shí)鐘的相位關(guān)系為超前或滯后(SHT_U_D)或SYN_U_D)，同時(shí)還可以指示兩時(shí)鐘是否進(jìn)入鎖定窗(SHT_WIN，SYN_WIN)，如圖l所示。鑒相器將這些信息送入控制邏輯模塊，在SHIFT階段，4條延時(shí)鏈對(duì)應(yīng)各自的可逆計(jì)數(shù)器，負(fù)責(zé)控制延時(shí)鏈加減延時(shí)單元，各計(jì)數(shù)器工作在自己的時(shí)鐘域中，如圖2所示。根據(jù)鑒相的結(jié)果和所處的狀態(tài)機(jī)狀態(tài)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果作為延時(shí)鏈的譯碼地址，最后延時(shí)鏈經(jīng)過地址譯碼增加／減少一個(gè)延時(shí)單元，完成一次工作節(jié)拍調(diào)節(jié)，繼而繼續(xù)進(jìn)行下一次調(diào)整，直到狀態(tài)機(jī)進(jìn)入鎖定狀態(tài)為止。SYN階段工作方式類似，但只對(duì)主延時(shí)鏈進(jìn)行調(diào)整。實(shí)現(xiàn)DLL鎖定，同步建立需滿足公式，如式(1)所示。
    DSYN+SKEW=mult(P) (1)
式中，DSYN為主延時(shí)鏈可以提供的延時(shí)；SKEW為時(shí)鐘偏斜；muh(P)為整數(shù)個(gè)輸入時(shí)鐘周期。
1．3 抗抖動(dòng)設(shè)計(jì)
    如圖2所示，控制邏輯中JF counter1和JF counter2功能模塊。用戶可以設(shè)置抗抖動(dòng)數(shù)值d1，d2，如圖1所示，從而對(duì)這兩個(gè)模塊中的計(jì)數(shù)器設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)周期。在DLL鎖定之后這兩個(gè)模塊開始工作，按照計(jì)數(shù)設(shè)定值的周期性對(duì)鎖定后的時(shí)鐘進(jìn)行檢測。即在計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定值時(shí)，對(duì)鎖定后的反饋時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘進(jìn)行鑒相，判斷相位關(guān)系，控制可逆計(jì)數(shù)器對(duì)鎖定后的時(shí)鐘進(jìn)行周期性微調(diào)干預(yù)。如圖4所示，在系統(tǒng)內(nèi)存在干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘抖動(dòng)，若抗抖動(dòng)模塊工作檢測到反饋時(shí)鐘超前于輸入時(shí)鐘，則進(jìn)行一次微調(diào)，消除抖動(dòng)的影響?？苟秳?dòng)設(shè)計(jì)有助于減少抖動(dòng)的影響。同時(shí)由于計(jì)數(shù)周期可設(shè)，使得用戶可以在不同系統(tǒng)工作環(huán)境下，采用不同的抗抖動(dòng)設(shè)定值，以達(dá)到最優(yōu)的防抖效果。

2 OSDLL架構(gòu)設(shè)計(jì)
    以上介紹的是傳統(tǒng)DLL架構(gòu)下的設(shè)計(jì)，其具有設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短、工藝可移植、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于其控制邏輯的工作特點(diǎn)，從復(fù)位狀態(tài)開始，延時(shí)鏈復(fù)位至O，即可逆計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。DLL按照工作節(jié)拍信號(hào)，一拍一拍地進(jìn)行調(diào)整(假設(shè)6周期一節(jié)拍)，當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率較低或者時(shí)鐘相差較大時(shí)，其鎖定時(shí)間將大大增加。取任何固定值作為延時(shí)鏈的復(fù)位值，同樣存在某一頻率段鎖定時(shí)間較長的問題。
    針對(duì)這一問題，采用one-shot延時(shí)計(jì)算機(jī)制，即完成SHIFT階段后首先利用主延時(shí)鏈來計(jì)算反饋時(shí)OSDLL的特點(diǎn)是復(fù)用傳統(tǒng)DLL的延時(shí)鏈，one-shot譯碼邏輯相對(duì)簡單，沒有過多地增加硬件開銷，同時(shí)保持原DLL架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在多頻段都能夠提高鎖定速度，頻率適應(yīng)性強(qiáng)。與傳統(tǒng)DLL的鎖定時(shí)間比較，如圖6所示。圖6中縱坐標(biāo)代表鎖定時(shí)間，橫坐標(biāo)代表仿真頻率，百分?jǐn)?shù)表示鎖定時(shí)間相差的比鐘上升沿和輸入時(shí)鐘上升沿之間的相位差值(假設(shè)有效沿是上升沿)，這個(gè)延時(shí)值以延時(shí)單元的數(shù)目來表征。將計(jì)算后的結(jié)果作為SYN邏輯中的可逆計(jì)數(shù)器0的初值，如圖2所示，經(jīng)過譯碼后使得主延時(shí)鏈具有一個(gè)合理的延時(shí)初值。然后DLL進(jìn)入SYN階段，按照上述的過程進(jìn)行同步調(diào)整。由于大部分的相差在one-shot計(jì)算結(jié)果付給可逆計(jì)數(shù)器時(shí)已經(jīng)消失，DLL只需經(jīng)過很短的調(diào)整周期即可達(dá)到同步。這種結(jié)構(gòu)的DLL，稱之為OSDLL。

    基于SMIC O．25 μm工藝，設(shè)計(jì)OSDLL測試芯片。OSDLL的工作頻率在20～200 MHz之間，工作電壓為2．5 V。圖7為版圖，圖8為版圖后仿真結(jié)果。

3 結(jié)束語
    介紹了DLL架構(gòu)和工作原理，并基于原DLL結(jié)構(gòu)，加入快速鎖定one-shot模塊。新的DLL結(jié)構(gòu)OSDLL在提高DLL鎖定速度的基礎(chǔ)上，沒有過多的增加硬件資源，保持了原DLL的時(shí)鐘綜合能力和抗抖動(dòng)功能。在SMIC 0．25μm工藝下，設(shè)計(jì)完成OSDLL測試芯片，其工作頻率在20～200 MHz之間，鎖定時(shí)間比傳統(tǒng)架構(gòu)大幅降低。OSDLL架構(gòu)集成于FPGA芯片內(nèi)，可有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)序，加強(qiáng)系統(tǒng)性能。