伴隨著通信市場(chǎng)的飛速發(fā)展，用于時(shí)鐘分配的復(fù)雜樹狀結(jié)構(gòu)得到了廣泛的運(yùn)用。為了給許多被時(shí)鐘分配及其他設(shè)計(jì)用來傳送數(shù)據(jù)(通過眾多具有數(shù)字時(shí)域精度的不同功能設(shè)計(jì)組合單元)的節(jié)點(diǎn)饋送信號(hào)，時(shí)鐘樹是必需的。由于需要采用大量的時(shí)鐘來對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)，因此，在嚴(yán)格且非常精確和受限的窗口時(shí)間內(nèi)生成這些定時(shí)時(shí)鐘也就成了當(dāng)務(wù)之急。
目前，這些窗口是以皮秒為單位來測(cè)量的。隨著必須對(duì)其饋送信號(hào)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加以及必須將時(shí)鐘放入其中的定時(shí)窗口的迅速減少，設(shè)計(jì)師必須了解用于完成這些時(shí)鐘信號(hào)的生成、倍頻和傳輸?shù)钠骷奶匦?。?dāng)今的許多時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生和傳輸產(chǎn)品都包含了PLL，因而使得定時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)一步增加。這些PLL使設(shè)計(jì)師能夠?qū)蠡虺暗臅r(shí)鐘進(jìn)行重新定時(shí)、消除了長(zhǎng)距離時(shí)鐘信號(hào)傳輸過程中發(fā)生的傳播延遲、并能夠生成相位鎖定于一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘且頻率各不相同的時(shí)鐘信號(hào)。
在利用PLL獲得這些時(shí)鐘控制能力的同時(shí)，也帶來了PLL可靠性的劣化。要對(duì)所有基于PLL的時(shí)鐘處理元件所產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量惡化有所了解并提供一定的容限。由PLL加至它所處理的時(shí)鐘信號(hào)上的噪聲不能被完全消除，這種噪聲常常是被容許的，而且，可對(duì)位于時(shí)鐘樹中的那些內(nèi)含PLL的元件進(jìn)行配置控制，以使它們所產(chǎn)生的噪聲得到控制且總時(shí)鐘樹性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可接受的最小值。
PLL對(duì)由其傳遞或生成的時(shí)鐘信號(hào)所施加的噪聲累積即為抖動(dòng)。在電學(xué)術(shù)語里，抖動(dòng)指一個(gè)規(guī)定的時(shí)鐘點(diǎn)(通常是一個(gè)指定電壓條件下的脈沖上升或下降沿)相對(duì)于其絕對(duì)期望點(diǎn)的時(shí)間偏差。這種抖動(dòng)傳統(tǒng)上一直被分為兩大類。第一類為短期抖動(dòng)，它是根據(jù)時(shí)點(diǎn)在相鄰時(shí)鐘周期里相對(duì)于其理想位置所產(chǎn)生的位移來測(cè)量的。用于該參數(shù)的常用術(shù)語是周期至周期抖動(dòng)。

圖1  鎖相環(huán)(PLL)

圖2  零延遲緩沖器的典型抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)曲線

另一類抖動(dòng)是在一段較長(zhǎng)的時(shí)間里測(cè)量的。用于此類抖動(dòng)的一種術(shù)語是長(zhǎng)期抖動(dòng)。而使用頻率和準(zhǔn)確性都更高的術(shù)語則是長(zhǎng)期周期抖動(dòng)。在該領(lǐng)域，必須規(guī)定一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度(以周期或秒為單位)，用于對(duì)事件的采樣周期進(jìn)行限制以產(chǎn)生測(cè)定值。如果對(duì)采樣周期未加限制，則事件有可能在一個(gè)不確定的位置上漂移，因此，必須設(shè)定并說明對(duì)事件的發(fā)生率進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量周期，以便更加精確地規(guī)定測(cè)量的具體方法。對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用，通常與脈沖邊沿在某一特定周期之內(nèi)所必須具有的穩(wěn)定性有關(guān)。
在建立具有合理數(shù)值的時(shí)鐘樹的過程中都不可避免地需要把基于PLL的時(shí)鐘處理元件串聯(lián)。在這種場(chǎng)合，需要了解每個(gè)元件所引發(fā)的抖動(dòng)之間的相互影響，而且，更為重要的是應(yīng)弄清時(shí)鐘樹所生成的全部最終分量時(shí)鐘的抖動(dòng)內(nèi)容。本文將從原理和功能角度進(jìn)行全面論述。
當(dāng)工程師準(zhǔn)備采用包括多個(gè)串聯(lián)PLL時(shí)鐘處理元件的設(shè)計(jì)方案時(shí)，他們常常面臨兩個(gè)信息源。第一個(gè)信息源是RF設(shè)計(jì)師所擁有的傳統(tǒng)知識(shí)。雖然有關(guān)基于RF PLL設(shè)計(jì)的介紹很多，但它們往往涉及的是那些將兩個(gè)基于PLL的信號(hào)進(jìn)行混合以生成一個(gè)和數(shù)時(shí)鐘或差分時(shí)鐘的電路。而且，它們一般也不像數(shù)字設(shè)計(jì)那樣具有皮秒級(jí)的定時(shí)限制。在數(shù)字時(shí)鐘領(lǐng)域擁有眾多的可用理論信息，但是，設(shè)計(jì)師所需的卻是一些經(jīng)驗(yàn)信息或證據(jù)，用以把該應(yīng)用難題轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰明了并具有預(yù)見性的觀點(diǎn)，即明確設(shè)計(jì)目標(biāo)以及應(yīng)該把設(shè)計(jì)時(shí)間和資源集中在哪些方面，從而實(shí)現(xiàn)一款健全的設(shè)計(jì)方案。
本文將對(duì)一個(gè)采用5個(gè)串聯(lián)PLL的特殊而又典型的實(shí)驗(yàn)所獲得的性能加以研究。雖然我們并不建議您采用5個(gè)PLL器件串聯(lián)配置的設(shè)計(jì)方案，但這里特意采用該方案來把設(shè)計(jì)師所關(guān)心的種種不良影響著力體現(xiàn)出來。
在研究基于PLL的時(shí)鐘處理元件時(shí)，首先需要了解的一點(diǎn)就是它們對(duì)必須通過其進(jìn)行傳遞的時(shí)鐘信號(hào)所起的作用。圖1示出了一個(gè)典型的ZDB(零延遲緩沖器)元件及其各組成部分。
對(duì)電性能而言最為重要的是由相位檢波器、誤差放大器、電荷泵以及環(huán)路濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)元件組。對(duì)于一個(gè)輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，這些元件起一個(gè)二階低通濾波器的作用。圖2示出了抖動(dòng)和頻率轉(zhuǎn)移函數(shù)以及在本例中所使用器件的帶寬響應(yīng)。
這是一幅輸入-輸出轉(zhuǎn)移函數(shù)曲線圖。它指示了至元件的任何輸入頻率的增益(和損耗)。請(qǐng)注意，輸入頻率(既可以是頻率本身也可以加載于輸入基準(zhǔn)信號(hào)之上)將通過環(huán)路濾波器和相位檢波器組合級(jí)進(jìn)行傳輸和放大。高于1.5MHz滾降點(diǎn)的頻率(以及復(fù)雜波的頻率分量)將因該濾波作用而被衰減，從而在經(jīng)過該器件時(shí)被抑制。
為了分析和說明PLL時(shí)鐘處理器件對(duì)通過其傳遞的時(shí)鐘信號(hào)的作用，下面將分三個(gè)不同的視圖對(duì)時(shí)鐘信號(hào)通過若干連續(xù)級(jí)時(shí)存在于其上的噪聲進(jìn)行研究。
第一個(gè)是頻域視圖。該視圖將采用一個(gè)頻譜分析儀來觀察功率電平與頻率的函數(shù)關(guān)系曲線圖，以了解這種噪聲是如何在系統(tǒng)中進(jìn)行傳播的。
第二個(gè)是長(zhǎng)周期抖動(dòng)視圖。這里可以觀察到輸出時(shí)鐘在一段較長(zhǎng)的時(shí)間里是如何起作用的，以及這些周期性變化的實(shí)際頻率分布情況。該測(cè)量將借助一個(gè)TIA(時(shí)間間隔分析儀)來顯示發(fā)生量(總數(shù))與頻率的相互關(guān)系。
第三個(gè)是調(diào)制域視圖。在該視圖中可以觀察到一連串中等長(zhǎng)度周期中的周期至周期(C-C)或相鄰周期間的頻率變化。它將顯示脈沖或即時(shí)頻率(抖動(dòng))的存在以及一個(gè)中等時(shí)段的視圖。
本文所使用的器件具有以下數(shù)據(jù)表特性：
·200ps的C-C抖動(dòng)
·1MHz的PLL環(huán)路帶寬
在基準(zhǔn)載頻的兩側(cè)有一個(gè)相當(dāng)平坦的噪聲層。載頻掃跡的寬度和斜率取決于頻譜分析儀的視頻性能和分辨率帶寬設(shè)定值。重要的是應(yīng)留意噪聲層相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿的平坦度，因?yàn)槲覀冴P(guān)注的是該平坦度在各處理級(jí)之間的變化。
從圖2以及相關(guān)的闡述可知，基于PLL的時(shí)鐘器件在頻域中起低通二階濾波器的作用。在研究每個(gè)連續(xù)級(jí)的頻譜內(nèi)容的過程中能夠清楚地發(fā)現(xiàn)：位于環(huán)路濾波器通帶之內(nèi)的噪聲在連續(xù)級(jí)當(dāng)中進(jìn)行傳遞并被逐級(jí)放大。事實(shí)上，對(duì)于第二級(jí)以及后續(xù)級(jí)的輸出，通過這些進(jìn)行傳遞的頻譜能量有一個(gè)確定的峰化。它對(duì)應(yīng)于圖2所示的通帶邊緣處的輕微峰化。其次需要關(guān)心的是器件通帶以外的噪聲層。請(qǐng)注意，即使在5級(jí)增益之后，該噪聲層仍然與波形振幅的輸入信號(hào)(最頂端和最底端)電平較為接近。
對(duì)于靠近基準(zhǔn)頻率的頻率，基于PLL的時(shí)鐘器件確實(shí)起著一個(gè)低通濾波器的作用。低頻(接近載波頻率)能量和信號(hào)分量將輕而易舉地通過該器件。這意味著該低頻能量(從性能上講，它將轉(zhuǎn)換成一個(gè)低頻以及輸出頻率的緩慢移動(dòng)或漂移)將在信號(hào)通過連續(xù)處理級(jí)時(shí)被傳遞和放大。誰將控制其最終數(shù)值(以頻率為單位來表示的從輸入基準(zhǔn)至第一級(jí)的偏差)幾乎完全取決于器件的帶寬以及任何其它試圖在時(shí)鐘樹的各級(jí)之間對(duì)其加以抑制的努力。
我們將研究的第二個(gè)視圖是長(zhǎng)期或周期抖動(dòng)視圖。
首先需要注意的是密度分布本質(zhì)上是一個(gè)高斯函數(shù)。這對(duì)以下已知事實(shí)提供了支持，即：由元件內(nèi)部的實(shí)際噪聲或輸入信號(hào)中的固有白噪聲所引起的隨機(jī)抖動(dòng)將在信號(hào)上表現(xiàn)為一個(gè)可預(yù)測(cè)性很高的高斯分布擴(kuò)展(調(diào)頻)效應(yīng)。其次需要注意的是該噪聲在多個(gè)處理級(jí)上對(duì)時(shí)鐘信號(hào)總幅度的影響，以及噪聲在其通過每個(gè)額外處理級(jí)時(shí)的累積和展寬(分布于更寬的頻率范圍內(nèi))。
應(yīng)該注意的是，這些頻率接近于基頻。這符合本文的觀點(diǎn)，因?yàn)樗砻鹘咏骷◣?或位于器件通帶之內(nèi))的噪聲和能量分量并非僅由對(duì)其進(jìn)行放大的器件來傳遞。同樣，由于該噪聲(抖動(dòng))接近于器件的工作頻率，因此，抖動(dòng)的發(fā)生速率非常緩慢。正是基于這一事實(shí)，總體影響便是使第二級(jí)跟蹤第一級(jí)信號(hào)的誤差、第三級(jí)跟蹤第一級(jí)和第二級(jí)的誤差、而末級(jí)跟蹤其前面的所有處理級(jí)的累積(加性)誤差。
時(shí)鐘的高頻域周期至周期抖動(dòng)在各級(jí)之間累加，而且其增量非常小。在有些系統(tǒng)中，它甚至?xí)谕ㄟ^某些處理級(jí)時(shí)有所減小。造成這種情況的原因是周期至周期抖動(dòng)出現(xiàn)于時(shí)鐘的相鄰周期之間。在本例中，時(shí)鐘的基頻為106.25MHz。為了使波形對(duì)一個(gè)脈沖噪聲(頻譜頻率內(nèi)容中的短期和高頻部分)做出響應(yīng)，其頻率將不得不在100MHz以上。否則，噪聲的影響就會(huì)散布于許多周期之中。由于該器件的環(huán)路帶寬較窄，所以此類能量是通過帶通曲線的邊緣來進(jìn)行濾除的，因而不容易在各級(jí)之間傳播。在精確設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，寬帶寬元件可被用來將這種人為調(diào)制干擾作為所需的EMI抑制用擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)來傳遞(以低于35kHz的循環(huán)速率進(jìn)行)。因此，為了減小系統(tǒng)的累積高頻抖動(dòng)，可采用一個(gè)帶寬非常窄的PLL器件在施加目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備之前對(duì)此以及其它高頻噪聲進(jìn)行有效地濾除。
總結(jié)一下本例所闡述的內(nèi)容。首先，當(dāng)信號(hào)通過連續(xù)的基于PLL的時(shí)鐘處理級(jí)時(shí)，包含在基于PLL器件的帶通特性內(nèi)部的低頻噪聲將會(huì)傳播并被放大和累加。如果正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)需要具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性且不因?yàn)槭撬矔r(shí)關(guān)斷頻率而受到不利影響的時(shí)基(時(shí)鐘)，則采取將PLL時(shí)鐘處理器件串聯(lián)的方法對(duì)系統(tǒng)的影響是最小的。由于進(jìn)行了長(zhǎng)期的高斯平衡處理，因此，任何短周期變化都將最終得到平衡。
因此，如果采用兩到三個(gè)連續(xù)時(shí)鐘對(duì)系統(tǒng)中的事件進(jìn)行了非常嚴(yán)密的定時(shí)，則這不是一個(gè)問題，因?yàn)樵撻L(zhǎng)周期抖動(dòng)的累加時(shí)間過長(zhǎng)，因而不可能形成足以對(duì)相鄰時(shí)鐘周期中發(fā)生的事件產(chǎn)生影響的誤差。在這些應(yīng)用中，常見的做法是對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、CPU以及與它們進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳的其它器件進(jìn)行定時(shí)。這里，一個(gè)RAS-CAS-READ周期中的三個(gè)連續(xù)時(shí)鐘的穩(wěn)定性雖然就瞬間而言有著至關(guān)重要的影響，但1000個(gè)周期跨度上的長(zhǎng)周期變化則幾乎沒有影響。
在頻譜的另一邊可以看到非?？?遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出器件所采用的PLL帶寬)的抖動(dòng)并不通過具有多個(gè)基于PLL的時(shí)鐘器件的系統(tǒng)。存在于任何器件輸出端上的周期至周期抖動(dòng)其本身大都與至被測(cè)器件的抖動(dòng)相差無幾。這意味著那些對(duì)其時(shí)鐘脈沖中相鄰或非常接近的周期中的周期/頻率變化非常敏感的器件有望與串聯(lián)的、基于PLL的時(shí)鐘器件樹很好地配合工作。對(duì)采用基于PLL的串聯(lián)時(shí)鐘器件樹的應(yīng)用的主要負(fù)面影響出現(xiàn)于特定的數(shù)據(jù)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，一個(gè)輸入數(shù)據(jù)流擁有許多被分割在非常特殊且分散的時(shí)間窗口中的連續(xù)數(shù)據(jù)位。在此類應(yīng)用中，當(dāng)從數(shù)據(jù)流還原數(shù)據(jù)時(shí)，由一個(gè)基于PLL的長(zhǎng)元件樹所生成的時(shí)鐘的長(zhǎng)期位移可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)落在期望的單元時(shí)域之外。