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ISSCC2021:時(shí)鐘發(fā)生器和分配器技術(shù)回顧

2021-03-10
來源:EETOP

  在最近的ISSCC會(huì)議上,,來自英特爾的Mozhgan Mansuri就有線和無線接口設(shè)計(jì)中與時(shí)鐘有關(guān)的內(nèi)容做了一個(gè)很有啟發(fā)性的簡短演講。這次演講非常深入,,包括了從基本的時(shí)鐘原理到合成和分配時(shí)鐘信號的獨(dú)特電路設(shè)計(jì)策略的回顧,。

  由于涉及的主題過多,這里將重點(diǎn)介紹基于有線的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),。

  有線數(shù)據(jù)速率趨勢

  描述了幾種接口標(biāo)準(zhǔn)下線纜“每通道數(shù)據(jù)率”的進(jìn)展情況,。

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  摩爾定律的PPA效益與接口數(shù)據(jù)率的增強(qiáng)是并行發(fā)展的,每2-3年翻一番,。然而,,由于有線鏈接橫跨硅芯片、封裝,、電路板互連,、連接器和電纜,單單硅技術(shù)的擴(kuò)展并不能說明所有的數(shù)據(jù)速率提升,。封裝/PCB材料的改進(jìn)和仿真工具的進(jìn)步無疑是有幫助的,。

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  這種增長的關(guān)鍵是支持信道Tx和Rx端的接口電路的持續(xù)改進(jìn)。相關(guān)的時(shí)鐘生成(和Rx時(shí)鐘恢復(fù))技術(shù)一直是這些電路創(chuàng)新的核心,,如下圖所示,,顯示了數(shù)據(jù)中的嵌入式時(shí)鐘和時(shí)鐘轉(zhuǎn)發(fā)選項(xiàng)。

  時(shí)鐘定義

  基本時(shí)鐘定義如下所示:

  時(shí)鐘周期

  占空比

  時(shí)鐘漂移(靜態(tài)占空比誤差,,半個(gè)周期持續(xù)時(shí)間之差)

  時(shí)鐘周期之間的抖動(dòng)

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  請注意,,在上面的最后一個(gè)圖中,抖動(dòng)可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而累積,正如奇數(shù)逆變器,、自由運(yùn)行的振蕩器時(shí)鐘源所描述的那樣,。

  下圖說明了時(shí)鐘分布的兩個(gè)關(guān)鍵測量(和規(guī)格)。圖的前半部分說明了電路對抖動(dòng)頻率內(nèi)容的頻率響應(yīng),;后半部分說明了Rx時(shí)鐘恢復(fù)電路對抖動(dòng)的 “容忍度”,。

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  這些數(shù)字包括頻率上的典型規(guī)格“掩模”,。上面描述的“理想”抖動(dòng)傳遞曲線通過時(shí)鐘分布組件提供了一個(gè)“0分貝,,無抖動(dòng)放大”的目標(biāo)掩碼。抖動(dòng)容忍掩碼規(guī)范使設(shè)計(jì)者能夠開發(fā)Rx時(shí)鐘恢復(fù)電路,,隨后確保Tx抖動(dòng)源不超過掩碼限制,。

  時(shí)鐘合成電路

  為了在片上產(chǎn)生高頻時(shí)鐘,常用的方法是采用兩種主要電路類型之一—PLL(phase-lockedloop)和DLL(delay-locked loop),。它們的主要功能是提供一個(gè)由低頻(高質(zhì)量)參考時(shí)鐘衍生出來的 “倍增 ”時(shí)鐘輸出,,如下所述。另一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)鐘合成配置是用一個(gè)“注入鎖定振蕩器”(ILO)來對單個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行相位校準(zhǔn),。

  PLL

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  PLL由以下部分組成

  一個(gè)壓控振蕩器

  N分頻計(jì)數(shù)器

  相位檢測器,它提供的輸出信號與參考時(shí)鐘和分頻VCO時(shí)鐘之間的前導(dǎo)/后導(dǎo)相位差成正比,。

  一個(gè)低通濾波器,,可以有效地阻止來自相位檢測器的短時(shí)信號影響VCO的控制輸入。

  PLL的頻率帶寬響應(yīng)定義了抖動(dòng)響應(yīng),,這是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)權(quán)衡,。例如,較低的帶寬將降低參考時(shí)鐘輸入的抖動(dòng)靈敏度,。較高的帶寬將降低對VCO抖動(dòng)的靈敏度,。

  DLL

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      上圖說明了DLL的基本原理。鎖相環(huán)中自由運(yùn)行的VCO振蕩器被延遲線所取代,,延遲線的單個(gè)延遲元件由鑒相器和低通濾波器輸出控制-圖中顯示的是一個(gè)簡單的變頻延遲鏈,。抖DLL時(shí)鐘輸出中的抖動(dòng)通過每N個(gè)周期使用參考時(shí)鐘邊沿進(jìn)行 “復(fù)位”,使用多路復(fù)用器輸出提供延遲鏈輸入--見圖中時(shí)序圖,。

  注入鎖定振蕩器(ILO)

  時(shí)鐘合成的另一種選擇是使用注入電流到振蕩系統(tǒng),,以提供輸出時(shí)鐘相位調(diào)節(jié)控制。

  ILO高層框圖如下所示,,有三部分值得注意,。

  振蕩器(簡單描述為n FET和反相放大器)

  一種調(diào)諧槽電路

  注入電流源

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  讓我們回憶一個(gè)有趣的物理實(shí)驗(yàn),在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,,相同時(shí)間段的多個(gè)節(jié)拍器是松散耦合的—但隨著時(shí)間的推移,,它們就會(huì)保持到同步。

  一個(gè)頻率為f的注入電流同樣會(huì)使組合系統(tǒng)的輸出電壓同步到這個(gè)頻率,。然而,,由于三個(gè)分量的相對阻抗,,系統(tǒng)輸出電壓與組成電流I_tank、I_osc和I_inj之間會(huì)產(chǎn)生相移,,如下圖所示,。

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  簡而言之,Vout = (Z_tank * I_tank),,其中I_tank = (I_osc + I_inj),。這些都是具有幅度和相位的復(fù)雜量。ILO的主要特點(diǎn)是,,注入電流的大小可以調(diào)整輸出電壓的相位,。

  因此,ILO是校準(zhǔn)(或“旋轉(zhuǎn)”)時(shí)鐘輸出相位的理想方法,,相對于基準(zhǔn)-相位差檢測器增加/減少注入電流的大小相應(yīng),。

  考慮這樣一種情況,希望從一個(gè)振蕩器的多個(gè)內(nèi)部階段產(chǎn)生時(shí)鐘,,每個(gè)時(shí)鐘通過一個(gè)特定的相位移位/對齊,。下面的例子顯示了4個(gè)相同頻率的時(shí)鐘,每個(gè)相位偏移了90度,。

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  對這些移位時(shí)鐘的邏輯運(yùn)算產(chǎn)生獨(dú)特的脈沖,,例如,clock_0和clock_270,。當(dāng)提供了與這些移位時(shí)鐘的邏輯操作對應(yīng)的轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模式時(shí),,數(shù)據(jù)和時(shí)鐘脈沖之間的相位差可以通過注入鎖定電流檢測和校準(zhǔn)。一旦校準(zhǔn),,時(shí)鐘就可以用于以高數(shù)據(jù)速率- 4X參考時(shí)鐘頻率發(fā)送/接收數(shù)據(jù),,如上面的例子。

  前面的討論提到了時(shí)鐘生成電路的框圖--Mozhgan在她的演講中詳細(xì)介紹了這些單元,。

  VCO

  她演講中的壓控振蕩器的例子如下圖所示,。

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  第一個(gè)例子是一個(gè)簡單的(奇數(shù))變頻器環(huán)路,提供一個(gè)自由運(yùn)行的振蕩器--每級的延遲由電壓控制信號修改,。(也經(jīng)常使用引入延遲控制的其他方法,,例如,使用變?nèi)荻O管給每個(gè)級增加可變?nèi)菪载?fù)載,;使用“電流缺乏”逆變器,,在下拉/上拉堆棧中附加一個(gè)系列FET/p/FET,其器件門提供電壓控制輸入,。)這種自由運(yùn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是對電源/控制輸入端的噪聲敏感,。

  上圖所示的第二個(gè)例子包括一個(gè)運(yùn)算放大器/調(diào)節(jié)器作為低通濾波器,以改善電源噪聲抑制。

  相位差檢測器

  將參考時(shí)鐘與(分頻)時(shí)鐘進(jìn)行比較的時(shí)鐘生成電路使用相位差檢測器向VCO提供控制信號,。常用的檢測器拓?fù)溆泻芏?-下面是一個(gè)簡單的(數(shù)字)實(shí)例實(shí)現(xiàn),。

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  這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于使用兩個(gè)輸入--“UP ”和 “DOWN ”來代表參考時(shí)鐘和生成時(shí)鐘之間的滯后/領(lǐng)先相位差的振蕩器控制電路。(需要一個(gè)低通濾波器來消除上升時(shí)鐘和異步復(fù)位輸入之間的任何雜散觸發(fā)輸出脈沖,。)

  時(shí)鐘分配

  Mozhgan介紹了一些常見的設(shè)計(jì)拓?fù)?,用于將one-die產(chǎn)生的時(shí)鐘分配到(Tx或Rx)扇出。下圖描述了三個(gè)例子,,適用于單個(gè)(全局)時(shí)鐘在被分接到一系列總線之前跨越相當(dāng)長距離的情況,。

  無中繼拓?fù)洌ú罘帧⒌蛿[信令),,將互連視為LC傳輸線,。

  逆變再發(fā)電鏈

  電流模式邏輯逆變器驅(qū)動(dòng)鏈

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  此外Mozhgan的演講還涵蓋了大量額外的主題,這里沒有重點(diǎn)介紹--例如,,有線Rx時(shí)鐘-數(shù)據(jù)對齊策略(適用于轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)鐘和嵌入式SerDes時(shí)鐘接口),、無線傳輸/接收機(jī)的時(shí)鐘生成、時(shí)鐘功率優(yōu)化,。

  

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