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(jiǎn)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(hào)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(shì)
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。
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。
這種增長(zhǎng)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)
請(qǐng)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(cè)量（和規(guī)格）。圖的前半部分說明了電路對(duì)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(duì)抖動(dòng)的 “容忍度”。
這些數(shù)字包括頻率上的典型規(guī)格“掩?！薄Ｉ厦婷枋龅摹袄硐搿倍秳?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(duì)單個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行相位校準(zhǔn)。
PLL
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(cè)器，它提供的輸出信號(hào)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(cè)器的短時(shí)信號(hào)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(duì)VCO抖動(dòng)的靈敏度。
DLL
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(jiǎn)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(jiǎn)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
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(duì)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。
簡(jiǎn)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(duì)于基準(zhǔn)-相位差檢測(cè)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(duì)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。
對(duì)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(duì)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(cè)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。
第一個(gè)例子是一個(gè)簡(jiǎn)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(jí)的延遲由電壓控制信號(hào)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(jí)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(duì)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(cè)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(cè)器向VCO提供控制信號(hào)。常用的檢測(cè)器拓?fù)溆泻芏?-下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的（數(shù)字）實(shí)例實(shí)現(xiàn)。
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(zhǎng)距離的情況。
無中繼拓?fù)洌ú罘?、低擺信令），將互連視為L(zhǎng)C傳輸線。
逆變?cè)侔l(fā)電鏈
電流模式邏輯逆變器驅(qū)動(dòng)鏈
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(duì)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。