新型全數(shù)字逐次逼近寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)的研究.pdf

1、隨著CMOS工藝技術(shù)的快速發(fā)展，芯片的集成度越來(lái)越高，更多的功能模塊被集成到同一個(gè)芯片上，構(gòu)成系統(tǒng)芯片或硅上系統(tǒng)，且其工作頻率已經(jīng)達(dá)到吉赫茲，時(shí)鐘偏差成為實(shí)現(xiàn)高速、高性能數(shù)字系統(tǒng)的瓶頸，尤其是各種低功耗技術(shù)的應(yīng)用，給大規(guī)模芯片中實(shí)現(xiàn)最小時(shí)鐘偏差的時(shí)鐘分布提出新的挑戰(zhàn)。因此，延時(shí)鎖定環(huán)被廣泛地用在數(shù)字信號(hào)處理器、多核系統(tǒng)芯片、微處理器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器接口和專用集成電路中，以解決時(shí)鐘偏差和時(shí)鐘生成的問(wèn)題。
　　 目前延時(shí)鎖定環(huán)可

2、以分為全模擬、全數(shù)字和混合模式三大類。模擬延時(shí)鎖定環(huán)采用連續(xù)可調(diào)的壓控延時(shí)線，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到鎖定狀態(tài)時(shí)，輸入時(shí)鐘和輸出時(shí)鐘之間的靜態(tài)相位差比較小，另外，由于是全定制設(shè)計(jì)，其功耗和面積也比較小。但是模擬延時(shí)鎖定環(huán)的噪聲容限比較小，容易受到工藝變化、電源噪聲等工作環(huán)境的影響。全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)具有鎖定速度快，抵抗工藝、電源、溫度、負(fù)載變化能力強(qiáng)，易于集成和工藝節(jié)點(diǎn)移植、適合于低壓、低功耗設(shè)計(jì)等的優(yōu)點(diǎn)，但是其鎖定時(shí)的靜態(tài)相位差比全模擬延時(shí)鎖定環(huán)的大

3、。混合模式的延時(shí)鎖定環(huán)綜合了全模擬和全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)字信號(hào)會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生比較大的干擾，使其難以集成。
　　 隨著CMOS工藝特征尺寸的持續(xù)縮小，延時(shí)單元具有更好的延時(shí)分辨率，使全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)鎖定后可以具有更小的靜態(tài)相位差和抖動(dòng)。因此適合于低壓、低功耗設(shè)計(jì)的全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，其可以分為采用線性搜尋算法的移位寄存器式全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)和計(jì)數(shù)器式全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)以及采用二元搜尋算法的逐次逼近

4、寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)兩類。逐次逼近寄存器式全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)由于采用二元非線性搜尋算法，可以達(dá)到很快的鎖定速度而備受青睞。
　　 傳統(tǒng)的逐次逼近寄存器式全數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)存在鎖定時(shí)間沒(méi)有理論極限值短、諧波鎖定和死鎖等問(wèn)題。雖然有一些研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，但是都沒(méi)有同時(shí)很好地解決這三個(gè)問(wèn)題，因此本文研究的重點(diǎn)是尋找一種改進(jìn)方案能同時(shí)解決這三個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有鎖定速度快、無(wú)諧波鎖定和死鎖現(xiàn)象的新型全數(shù)字逐次逼近寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)，以滿

5、足低功耗系統(tǒng)芯片和高性能微處理器芯片時(shí)鐘分布的需求。
　　 新型全數(shù)字逐次逼近寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)采用可復(fù)位延時(shí)單元構(gòu)成數(shù)控延時(shí)線，在參考時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入延時(shí)線之前，所有延時(shí)單元被復(fù)位清除到邏輯低電平，使反饋時(shí)鐘信號(hào)在每個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束時(shí)能正確地反應(yīng)延時(shí)線對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的影響，從而使逐次逼近寄存器控制器的工作頻率和系統(tǒng)輸入時(shí)鐘的頻率一致，提高鎖定速度到理論極值，同時(shí)消除諧波鎖定現(xiàn)象，并降低功率消耗。通過(guò)在傳統(tǒng)窗口檢測(cè)相位比較器之前加入時(shí)鐘信

6、號(hào)脈沖寬度展寬電路，使其能配合可復(fù)位數(shù)控延時(shí)線正確有效地工作。通過(guò)增加重啟電路模塊，并改進(jìn)傳統(tǒng)逐次逼近寄存器控制器終止電路模塊，使新型控制器具有重新按照二元搜索算法快速鎖定的特點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)逐次逼近寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)的死鎖問(wèn)題。
　　 最后，選用工業(yè)界中使用的主流電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具搭建了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，采用中芯國(guó)際集成電路制造有限公司的CMOS0.18um1P6M工藝在該平臺(tái)上高效地實(shí)現(xiàn)了新型全數(shù)字逐次逼近寄存器式延時(shí)鎖定環(huán)。在