可實現(xiàn)快速鎖定的FPGA片內延時鎖相環(huán)設計

摘要：延時鎖相環(huán)(DLL)是一種基于數(shù)字電路實現(xiàn)的時鐘管理技術。DLL可用以消除時鐘偏斜，對輸入時鐘進行分頻、倍頻、移相等操作。文中介紹了FPGA芯片內DLL的結構和設計方案，在其基礎上提出可實現(xiàn)快速鎖定的延時鎖相環(huán)OSDLL設計。在SMIC 0．25μm工藝下，設計完成OSDLL測試芯片，其工作頻率在20～200 MHz，鎖定時間相比傳統(tǒng)架構有大幅降低。
關鍵詞：延時鎖相環(huán)；FPGA；快速鎖定

    微電子技術的持續(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)的時鐘延遲和偏斜。由于FPGA具有豐富的可編程邏輯資源及時鐘網絡，隨之而來的時鐘延遲問題使得用戶設計的性能大打折扣。FPGA中的DLL模塊可提供零傳播延時，消除時鐘偏斜，從而進一步提高了FPGA的性能和設計的靈活性。
    PLL是常用的時鐘管理電路，主要是基于模擬電路設計實現(xiàn)的，而DLL主要是基于數(shù)字電路設計實現(xiàn)的。雖然在時鐘綜合能力上比PLL差，但由于具有設計仿真周期短，抗干擾性強，以及工藝可移植等特點，DLL非常適合在數(shù)字系統(tǒng)架構中使用，這也是FPGA采用DLL作為時鐘管理的原因。文中將介紹傳統(tǒng)FPGA片內延時鎖相環(huán)設計，并在此基礎上提出具有更快鎖定速度的新延時鎖相環(huán)架構OSDLL。

1 FPGA片內DLL結構及工作原理
1．1 DLL架構設計
    圖1為FPGA片內DLL結構框圖。圖1中FPGA片內用戶設計的時序邏輯部分在布局布線后，位于芯片中部，相應的時鐘走線較長。為緩解時鐘緩沖、重負載時鐘線的大電容、線路的傳播延時等因素造成的時鐘偏斜，可以選擇使用DLL模塊進行時鐘優(yōu)化管理。

    圖1中，DLL主要由鑒相器(PD)、可調延時鏈、數(shù)字控制邏輯以及時鐘生成模塊組成。CLKOUT為DLL輸出時鐘，即時鐘生成模塊的輸出時鐘；CLKS為經過時鐘線后到達時序電路的偏斜時鐘；CLKFB即為CIKS，反饋時鐘CLKFB反饋回DLL。DLL的功能為通過在時域中調節(jié)CLKOUT的相位使得CLKFB與CLKIN同步，即消除時鐘偏斜。
1．2 DLL工作原理
    DLL的工作過程依賴于控制邏輯的設計。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的工作過程首先進行SHIFT階段，之后進行SYN階段。

    從圖2可見，可調延時鏈共5條，即一條主可調延時鏈(延時鏈0，256個延時單元)，4條子可調延時鏈(延時鏈1～4，各128個延時單元)。如圖2所示，4條子延時鏈，SHIFT邏輯和一個鑒相器(PD2)構成相移器。SHIFT階段，相移器工作。相移器采集第一級子延時鏈的輸入時鐘clk_ph_0和最后一級延時鏈的輸出時鐘clk_ph_360，根據(jù)鑒相結果同步調整4條子可調延時鏈的延時，直至clk_ph_O和clk_ph_360同步。經過相移器的時鐘延時是一個周期，從而使得時鐘經過相移器中的每個子延時鏈的輸出時鐘相移90°，對應圖2中分別為clk_ph_O，clk_ph_90，clk_ph_180，clk_ph_270，clk_ph_360。這些相移的時鐘可以根據(jù)實際的需要由時鐘生成模塊產生所需要分頻(CLKDV)，倍頻(CIK2X)或移相時鐘作為輸出時鐘，關于分頻和倍頻電路，如文獻。SYN邏輯用于控制將反饋時鐘和輸入時鐘調整至同步。
    整個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)拍實施調整，如圖3所示。

    圖2中工作節(jié)拍模塊生成工作節(jié)拍信號(SHIFT_C，SYN_C)。在工作節(jié)拍下，狀態(tài)機處于某一狀態(tài)，則根據(jù)狀態(tài)的調整要求依次進行如下操作：鑒相，判斷出輸入時鐘和反饋時鐘的相位關系為超前或滯后(SHT_U_D)或SYN_U_D)，同時還可以指示兩時鐘是否進入鎖定窗(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條延時鏈對應各自的可逆計數(shù)器，負責控制延時鏈加減延時單元，各計數(shù)器工作在自己的時鐘域中，如圖2所示。根據(jù)鑒相的結果和所處的狀態(tài)機狀態(tài)，計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)結果作為延時鏈的譯碼地址，最后延時鏈經過地址譯碼增加／減少一個延時單元，完成一次工作節(jié)拍調節(jié)，繼而繼續(xù)進行下一次調整，直到狀態(tài)機進入鎖定狀態(tài)為止。SYN階段工作方式類似，但只對主延時鏈進行調整。實現(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為主延時鏈可以提供的延時；SKEW為時鐘偏斜；muh(P)為整數(shù)個輸入時鐘周期。
1．3 抗抖動設計
    如圖2所示，控制邏輯中JF counter1和JF counter2功能模塊。用戶可以設置抗抖動數(shù)值d1，d2，如圖1所示，從而對這兩個模塊中的計數(shù)器設定一個計數(shù)周期。在DLL鎖定之后這兩個模塊開始工作，按照計數(shù)設定值的周期性對鎖定后的時鐘進行檢測。即在計數(shù)器達到設定值時，對鎖定后的反饋時鐘和輸入時鐘進行鑒相，判斷相位關系，控制可逆計數(shù)器對鎖定后的時鐘進行周期性微調干預。如圖4所示，在系統(tǒng)內存在干擾時，會產生時鐘抖動，若抗抖動模塊工作檢測到反饋時鐘超前于輸入時鐘，則進行一次微調，消除抖動的影響?？苟秳釉O計有助于減少抖動的影響。同時由于計數(shù)周期可設，使得用戶可以在不同系統(tǒng)工作環(huán)境下，采用不同的抗抖動設定值，以達到最優(yōu)的防抖效果。

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

    基于SMIC O．25 μm工藝，設計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為版圖后仿真結果。

3 結束語
    介紹了DLL架構和工作原理，并基于原DLL結構，加入快速鎖定one-shot模塊。新的DLL結構OSDLL在提高DLL鎖定速度的基礎上，沒有過多的增加硬件資源，保持了原DLL的時鐘綜合能力和抗抖動功能。在SMIC 0．25μm工藝下，設計完成OSDLL測試芯片，其工作頻率在20～200 MHz之間，鎖定時間比傳統(tǒng)架構大幅降低。OSDLL架構集成于FPGA芯片內，可有效地優(yōu)化設計時序，加強系統(tǒng)性能。