零延遲時鐘緩沖器例解決方案解釋其工作原理

　　隨著數(shù)字系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計(jì)人員需要越來越細(xì)心地關(guān)注時鐘發(fā)生和分配電路的設(shè)計(jì)，以避免時鐘分配時序出現(xiàn)差異或不確定性。此類問題會降低系統(tǒng)性能，減少時序余裕，或?qū)е鹿δ苠e誤。為了避免時序偏移相關(guān)的問題，設(shè)計(jì)人員可以使用零延遲時鐘緩沖器。

　　典型同步數(shù)字系統(tǒng)使用公共時鐘來讓操作按順序執(zhí)行。此時鐘必須分配給所有順序元件，使系統(tǒng)以期望的速率運(yùn)行，并通常使用閉環(huán)控制來減小時序偏移。零延遲時鐘緩沖器使用鎖相環(huán) （PLL） 來保證緩沖的時鐘輸出與參考時鐘輸入保持一致，從而確保時鐘時序近乎完美。

　　本文介紹零延遲時鐘緩沖器，利用 Cypress Semiconductor、Integrated Device Technology Inc. （IDT） 和 ON Semiconductor 的示例解決方案解釋其工作原理，并詳細(xì)說明如何控制時鐘偏移。本文還會探究測試方法，以確保這些器件的穩(wěn)定性。

　　時鐘偏移

　　在同步數(shù)字系統(tǒng)中，時鐘可能在不同時間到達(dá)電路的不同部分，從而導(dǎo)致時鐘偏移。時鐘偏移可能會減小時序余裕，并導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障（圖 1）。

圖 1：時鐘時間偏移可能影響流水線寄存器操作的簡單示例。偏移的時鐘可能會違反建立和/或保持時間要求，導(dǎo)致輸出狀態(tài)不確定。（圖片來源：IDT）

　　考慮一個由兩個寄存器組成的簡單同步系統(tǒng)。數(shù)據(jù)以流水線方式通過寄存器，使得寄存器 X 的輸出 QX 成為寄存器 Y 的輸入。時鐘通過獨(dú)立緩沖器饋入寄存器，分別指定為 CLK1 和 CLK2。如果時鐘之間沒有偏移，如圖 （a） 所示，那么滿足寄存器建立 （tSUx） 和保持 （tHx） 時間要求的數(shù)據(jù)狀態(tài) N，會在寄存器 X 傳播延遲后的第一個時鐘邊沿，鎖定到該寄存器的輸出 QX 中。CLK2 上的相同時鐘邊沿導(dǎo)致 QX 的前一狀態(tài) N-1 被該寄存器 Y 讀取，并在該寄存器的傳播延遲后出現(xiàn)在輸出 QY 中。

　　如果 CLK1 和 CLK2 之間存在時間偏移，如圖 （b） 所示，那么當(dāng) CLK2 出現(xiàn)時，QX 可能處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。寄存器 Y 的輸入可能不滿足寄存器建立或保持時間要求；輸出可能不確定，從而導(dǎo)致錯誤。

　　為確保時鐘偏移最小，設(shè)計(jì)人員應(yīng)讓印刷電路的印制線長度匹配，選擇具有相似傳播延遲的緩沖器和其他時鐘元件，并且平衡多個時鐘源的負(fù)載。雖然這些技術(shù)有所幫助，但一般需要使用零延遲時鐘緩沖器才能獲得對時鐘偏移的良好控制。

　　控制時鐘偏移

　　引起時鐘偏移的可能原因有很多。最明顯的原因是時鐘信號在印刷電路上通過的路線長度是不同的。其他偏移來源包括：時鐘通過的有源器件傳播延遲各不相同，時鐘緩沖器的負(fù)載不同，或者緩沖器存在溫度差異。雖然可以控制其中一些影響，但設(shè)計(jì)人員經(jīng)常使用有源器件和 PLL 來將時鐘重新與參考時鐘同步。

　　PLL 電路用于控制頻率和相位?？梢耘渲脼楸额l器、解調(diào)器、跟蹤發(fā)生器或時鐘恢復(fù)電路。每種應(yīng)用需要不同的特性，但它們都使用圖 2 所示的同一基本電路概念。

圖 2：配置為倍頻器的 PLL 框圖。它基本上是一個反饋控制系統(tǒng)，控制壓控振蕩器 （VCO） 的相位。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　圖 2 顯示了一個配置為倍頻器的基本 PLL 框圖。該電路的操作是所有 PLL 的典型操作。它基本上是一個反饋控制系統(tǒng)，控制 VCO 的相位。輸入信號施加到相位檢測器的一個輸入。另一個輸入是來自 N 分頻計(jì)數(shù)器輸出的反饋信號。通常，兩個信號的頻率幾乎相同。

　　相位檢測器的輸出是一個與兩個輸入的相位差成比例的電壓。此信號施加于環(huán)路濾波器。該環(huán)路濾波器決定了 PLL 的動態(tài)特性。濾波后的信號用于控制 VCO。請注意，VCO 的輸出頻率是提供給頻率基準(zhǔn)輸入 （FIN） 的輸入頻率的 N 倍。該輸出信號通過 N 分頻計(jì)數(shù)器返回至相位檢測器。

　　通常，環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)為與 PLL 應(yīng)用所需的特性匹配。如果 PLL 要采集和跟蹤信號，則環(huán)路濾波器的帶寬將大于固定輸入頻率情況下的預(yù)期帶寬。PLL 接受并鎖定的頻率范圍稱為捕獲范圍。PLL 鎖定并跟蹤信號之后，PLL 所遵循的頻率范圍稱為跟蹤范圍。一般來說，跟蹤范圍大于捕獲范圍。PLL 環(huán)路濾波器還決定了信號頻率能以多快的速度改變，同時仍保持鎖定。這就是最大壓擺率。環(huán)路濾波器帶寬越窄，可實(shí)現(xiàn)的相位誤差越小。其代價是響應(yīng)速度變慢，捕獲范圍縮小。時鐘應(yīng)用中使用的 PLL 主要在固定頻率下工作。

　　零延遲時鐘緩沖器

　　零延遲緩沖器是一種可以緩沖時鐘信號的器件，從單個參考時鐘輸入產(chǎn)生多個時鐘輸出。多個緩沖時鐘輸出相對于參考時鐘輸入的延遲很小或沒有延遲，并且輸出之間的偏移很小。Cypress Semiconductor 的 CY2308SXC-3T 零延遲緩沖器的簡化框圖如圖 3 所示。

圖 3：CY2308SXC-3T 八輸出零延遲緩沖器使用 PLL 來同步所有輸出，使輸出之間的時間偏移接近零。（圖片來源：Cypress Semiconductor）

　　零延遲緩沖器采用積分 PLL 構(gòu)建，接受參考輸入 （REF） 和反饋輸入 （FBK） 作為其相位檢測器的輸入。反饋輸入由用戶選擇的輸出之一驅(qū)動。PLL 的內(nèi)部相位檢測器調(diào)節(jié) VCO 的輸出相位，使其兩個輸入沒有相位差或頻率差。其中一個緩沖的時鐘輸出及其負(fù)載選擇為反饋信號，通過相位檢測器反饋給 PLL。無論該輸出端的負(fù)載如何變化，PLL 都會動態(tài)補(bǔ)償這些輸出負(fù)載變化，使得從輸入到驅(qū)動反饋的輸出延遲為零，而不論其輸出負(fù)載有多大。

　　CY2308 系列有兩組四路輸出，工作頻率范圍為 10 至 133 MHz。輸入到輸出時間偏移小于 250 ps，輸出之間的時鐘偏移小于 200 ps。通過改變用于反饋輸入的輸出端負(fù)載電容，可以調(diào)整輸入到輸出時間偏移。

　　該產(chǎn)品系列提供多種二分頻分頻器配置。選擇的器件是帶“-3”的變型，如框圖所示，它有兩個這樣的分頻器。此配置允許用戶獲得兩倍于或四倍于參考時鐘輸入頻率的輸出。

　　最常用的零延遲緩沖器配置有五個輸出，有多家制造商的產(chǎn)品可供選擇。Cypress Semiconductor 的 CY2305SXI-1HT、IDT 的 2305-1DCGI8 和 ON Semiconductor 的 NB2305AI1HDR2G 是非常類似的器件。它們都有五個緩沖的時鐘輸出、一個 CLKOUT 端口，以及四組時鐘輸出。與 CY2308 不同，PLL 反饋點(diǎn)固定在單個 CLKOUT 信號上。

　　零延遲緩沖器動態(tài)特性

　　零延遲緩沖器中的 PLL 基本上是反饋控制系統(tǒng)。動態(tài)特性由 PLL 環(huán)路濾波器控制。同任何控制系統(tǒng)一樣，重要的是評估反饋環(huán)路響應(yīng)瞬態(tài)輸入的動態(tài)特性。一種評估方法是，施加一個含階躍變化的輸入來評估階躍響應(yīng)（圖 4）。

圖 4：在 66.67 MHz 使用 1 弧度相位階躍評估 CY2305 零延遲緩沖器的階躍響應(yīng)。左上方網(wǎng)格為輸入信號，右上方網(wǎng)格為輸出信號。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　輸入信號是 66.67 MHz 正弦波，在所采集信號窗口的中心有一個 1 弧度的階躍。此波形由任意波形發(fā)生器 （AWG） 產(chǎn)生。CY2305 零延遲緩沖器的輸入和輸出均使用示波器采集，時基設(shè)置為每格 10 μs。

　　圖 4 左上方網(wǎng)格為輸入信號，右上方網(wǎng)格為輸出信號。時間間隔誤差 （TIE） 是實(shí)測時鐘邊沿與其理想位置的時間差，并且是針對每個波形測量的。實(shí)際上，它是以一個固定時鐘速率（本例為 66.67 MHz）為基準(zhǔn)的信號的瞬時相位。輸入和輸出的每個時鐘周期的 TIE 值繪制為一個波形，稱為 TIE 軌跡。輸入軌跡是左上方起的第二個網(wǎng)格。這里，相位的階躍是可見的，幅度為 2.4 ns。該值表示 66.67 MHz 時鐘頻率的 1 弧度相移。

　　右上方起的第二條跡線是輸出的 TIE 軌跡。輸出軌跡顯示了一些過沖，并穩(wěn)定在新的平均值以匹配輸入變化。從上往下數(shù)的第三條跡線顯示了左側(cè)輸入和右側(cè)輸出的水平擴(kuò)展縮放跡線。輸入階躍的細(xì)節(jié)顯示躍變很干凈。

　　放大輸出可以看出一些過沖，然后在一個大約 500 ns 持續(xù)時間的周期內(nèi)快速穩(wěn)定到新的平均值。對于如此大的相位階躍，這是一種表現(xiàn)良好的階躍響應(yīng)。它迅速穩(wěn)定下來，沒有不穩(wěn)定振蕩響應(yīng)的跡象。

　　下方兩條跡線是對輸入（左）和輸出（右）的水平擴(kuò)充展示。在輸入中可以清楚地看到相位階躍很大，但在此時間尺度上，慢速輸出響應(yīng)不是那么顯而易見。

　　結(jié)語

　　高性能數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要不斷地細(xì)心關(guān)注時鐘發(fā)生和分配電路的設(shè)計(jì)，以避免時鐘分配時序的差異或不確定性。此類問題會降低系統(tǒng)性能，減少時序余裕，或?qū)е鹿δ苠e誤。

　　如上所述，當(dāng)傳播多個時鐘信號并與主時鐘信號保持同步時，零延遲緩沖器是實(shí)現(xiàn)主動控制的好工具。即使檢測到輸出端發(fā)生明顯的負(fù)載變化，也能出色地執(zhí)行跟蹤。但是，如本文所述，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)評估零延遲緩沖器的反饋環(huán)路動態(tài)特性，以確保其滿足應(yīng)用要求。