信號完整性培訓(xùn)

1、信號完整性培訓(xùn)第第3 3講：時鐘技術(shù)講：時鐘技術(shù)3-1 一些基本概念和定義一些基本概念和定義3-2 時鐘的產(chǎn)生時鐘的產(chǎn)生3-3 時鐘的傳輸和分布時鐘的傳輸和分布 2系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)時鐘在高速數(shù)字系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色，就像一個系統(tǒng)時鐘在高速數(shù)字系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色，就像一個“節(jié)拍節(jié)拍”發(fā)生器，發(fā)生器，協(xié)調(diào)著高速數(shù)字系統(tǒng)各部分的工作。如同一個交響樂隊的指揮，是核心和靈魂。協(xié)調(diào)著高速數(shù)字系統(tǒng)各部分的工作。如同一個交響樂隊的指揮，是核心和靈魂。 系統(tǒng)時鐘的性能好壞，直接關(guān)系著整個高速數(shù)字系統(tǒng)的工作和整體性能。因此，系統(tǒng)時鐘的性能好壞，直接關(guān)系著整個高速數(shù)字系統(tǒng)的工作和整體性能。因此，系

2、統(tǒng)時鐘的產(chǎn)生，傳輸和分布在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中是一個關(guān)鍵所在，其重要性是系統(tǒng)時鐘的產(chǎn)生，傳輸和分布在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中是一個關(guān)鍵所在，其重要性是這么強調(diào)都不過分。這么強調(diào)都不過分。 系統(tǒng)時鐘設(shè)計的基本目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)對時鐘抖動（系統(tǒng)時鐘設(shè)計的基本目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)對時鐘抖動（ ）、時鐘偏差（）、時鐘偏差（ ），信），信號完整性（號完整性（ ）等性能指標(biāo)的要求，將時鐘信號傳遞到系統(tǒng)的各個部件中去。）等性能指標(biāo)的要求，將時鐘信號傳遞到系統(tǒng)的各個部件中去。 系統(tǒng)時鐘設(shè)計的任務(wù)基本可以分為兩部分：系統(tǒng)時鐘設(shè)計的任務(wù)基本可以分為兩部分： 高質(zhì)量時鐘信號的產(chǎn)生。高質(zhì)量時鐘信號的產(chǎn)生。 時鐘信號的傳輸與分布。時

3、鐘信號的傳輸與分布。 在討論高速數(shù)字系統(tǒng)的時鐘設(shè)計之前，首先說明有關(guān)時鐘的一些基本概念。在討論高速數(shù)字系統(tǒng)的時鐘設(shè)計之前，首先說明有關(guān)時鐘的一些基本概念。33-1 一些基本概念和定義3-1-1 3-1-1 時鐘偏差（時鐘偏差（ ） 時鐘偏差：時鐘信號的理想時鐘偏差：時鐘信號的理想“沿變沿變”和實際上的和實際上的“沿變沿變”之差。之差。 在實際系統(tǒng)中，造成時鐘信號的在實際系統(tǒng)中，造成時鐘信號的“沿變沿變”與理想與理想“沿變沿變”存在著差別的一個主要存在著差別的一個主要原因是因為數(shù)字信號經(jīng)過邏輯器件時，其傳輸延遲時間上存在著差別。因此，人們也原因是因為數(shù)字信號經(jīng)過邏輯器件時，其傳輸延遲時間上存在著

4、差別。因此，人們也常直觀地將時鐘偏差定義為器件輸出時鐘信號的傳輸延遲時間之差。常直觀地將時鐘偏差定義為器件輸出時鐘信號的傳輸延遲時間之差。ABCACB圖圖3-1-1 時鐘偏差的定義時鐘偏差的定義4內(nèi)部時鐘偏差和外部時鐘偏差內(nèi)部時鐘偏差和外部時鐘偏差 從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有從更廣義的角度出發(fā)，由于器件之間連線延遲的不同，或者負(fù)載條件的不同，都有可能引起時鐘信號的實際可能引起時鐘信號的實際“沿變沿變”與理想的與理想的“沿變沿變”不同。因此可以將時鐘偏差分為兩不同。因此可以將時鐘偏差分為兩類：類：內(nèi)部時鐘偏差（內(nèi)部時鐘偏差（ ）：）： 一種是由邏輯器

5、件內(nèi)部產(chǎn)生的，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號延遲上的差別。一種是由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的，表現(xiàn)為邏輯器件輸出之間信號延遲上的差別。外部時鐘偏差（外部時鐘偏差（ ）：）： 另一種是由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別，被稱為外部時鐘偏差另一種是由于連線延遲和負(fù)載條件不同引起的延遲差別，被稱為外部時鐘偏差（ ） 。InOut負(fù)負(fù)載載Intrinsic SkewEntrinsic Skew連線Clock_Out 圖圖4-1-2 時鐘信號的內(nèi)、外源示意圖時鐘信號的內(nèi)、外源示意圖 5時鐘性能損失時鐘性能損失 為了度量由于時鐘偏差引起的系統(tǒng)時鐘性能損失，人們引進(jìn)了一個指標(biāo)，稱為時鐘性為了度量由于時鐘偏差引起的

6、系統(tǒng)時鐘性能損失，人們引進(jìn)了一個指標(biāo)，稱為時鐘性能損失（能損失（ ），它的定義如下：），它的定義如下： 時鐘性能損失時鐘性能損失 = （4-1-1） 其中，其中，F(xiàn)為系統(tǒng)時鐘頻率，單位為赫茲（）；為系統(tǒng)時鐘頻率，單位為赫茲（）；D為時鐘偏差為時鐘偏差, 單位為秒（單位為秒（s）。）。 時鐘性能損失的大小是系統(tǒng)時鐘頻率和時鐘偏差的函數(shù)。時鐘性能損失的大小是系統(tǒng)時鐘頻率和時鐘偏差的函數(shù)。 對于一個給定時鐘偏差大小的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)時鐘頻率的提高，時鐘性能損失增大；對于一個給定時鐘偏差大小的系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)時鐘頻率的提高，時鐘性能損失增大； 同樣，對于一個給定的系統(tǒng)時鐘頻率，時鐘偏差的大小也直接影響著時

7、鐘性能損失。同樣，對于一個給定的系統(tǒng)時鐘頻率，時鐘偏差的大小也直接影響著時鐘性能損失。%100DF6圖圖4-1-3 4-1-3 時鐘性能損失的示意圖時鐘性能損失的示意圖 圖圖4-1-3給出了時鐘性能損失隨系統(tǒng)時鐘頻率變化和時鐘偏差大小變化的例子。給出了時鐘性能損失隨系統(tǒng)時鐘頻率變化和時鐘偏差大小變化的例子。 7時鐘性能損失時鐘性能損失 事實上，時鐘性能損失表征的是時鐘偏差占時鐘信號周期的百分比，也就是事實上，時鐘性能損失表征的是時鐘偏差占時鐘信號周期的百分比，也就是相對比值。因此，時鐘性能損失可以直接用時鐘偏差占時鐘信號周期的比值來定相對比值。因此，時鐘性能損失可以直接用時鐘偏差占時鐘信號周期

8、的比值來定義：義： 時鐘性能損失時鐘性能損失 = （4-1-2） 其中，其中，T = 1為系統(tǒng)時鐘的周期為秒（為系統(tǒng)時鐘的周期為秒（s）。）。 對于前例，時鐘性能損失對于前例，時鐘性能損失 = = 5(1/25) = 540 = 0.125TD84-1-2 4-1-2 內(nèi)部時鐘偏差的分類內(nèi)部時鐘偏差的分類 由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘偏差，或者說內(nèi)部時鐘偏差，從時鐘偏差產(chǎn)生的機制上由邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘偏差，或者說內(nèi)部時鐘偏差，從時鐘偏差產(chǎn)生的機制上考慮，可以被劃分為三種：考慮，可以被劃分為三種： 1 1占空比偏差（占空比偏差（ ）|PHLPLHPSttt（4-1-3） 時鐘信號上升沿的傳輸延遲

9、時間與下降沿時鐘信號上升沿的傳輸延遲時間與下降沿的傳輸延遲時間之間的差。和的差會導(dǎo)致時鐘的傳輸延遲時間之間的差。和的差會導(dǎo)致時鐘脈沖的寬度失真。脈沖的寬度失真。 有時也稱其為脈沖偏差有時也稱其為脈沖偏差（ ）。）。 占空比偏差實質(zhì)上是表征一個邏輯芯片的占空比偏差實質(zhì)上是表征一個邏輯芯片的同一個管腳對時鐘信號不同沿變（或稱：跳變）同一個管腳對時鐘信號不同沿變（或稱：跳變）的傳輸延遲特性，因此定義參數(shù)來表征占空比的傳輸延遲特性，因此定義參數(shù)來表征占空比偏差的大小：偏差的大?。?圖圖4-1-4 時鐘信號的占空比偏差時鐘信號的占空比偏差 tPLHtPHL理想時鐘理想時鐘實際時鐘實際時鐘9時鐘信號的脈寬

10、之差時鐘信號的脈寬之差 由圖由圖4-1-4可看出：時鐘信號沿的傳輸延遲時間與之間的之差就等于時鐘信號正負(fù)脈沖可看出：時鐘信號沿的傳輸延遲時間與之間的之差就等于時鐘信號正負(fù)脈沖的寬度之差。因此也可以用時鐘信號的脈寬之差來表示：的寬度之差。因此也可以用時鐘信號的脈寬之差來表示：|LOWHIGHPSttt（4-1-4） 時鐘信號的占空比可以用百分比的形式表示，如時鐘信號的占空比可以用百分比的形式表示，如45%:55%45%:55%，經(jīng)常將，經(jīng)常將% %忽略，直接表示為：忽略，直接表示為：45:5545:55。 當(dāng)存在時，時鐘信號的頻率越高，對大小的要求當(dāng)存在時，時鐘信號的頻率越高，對大小的要求就越高

11、。就越高。 如：對于一個頻率為如：對于一個頻率為2525的系統(tǒng)時鐘，若要求其占的系統(tǒng)時鐘，若要求其占空比為空比為4545：55%55%時，則不能超過時，則不能超過4 4。這時要求：。這時要求： 18 18，同時有同時有 22 22；或者；或者 18 18， 同時有同時有 22 22。 而對于一個而對于一個5050的系統(tǒng)時鐘，則不能超過的系統(tǒng)時鐘，則不能超過2 2，即要，即要求：求： 9 9，同時有，同時有 11 11；或者；或者 9 9， 同時有同時有 1111。 圖圖4-1-5 時鐘信號的脈沖偏差時鐘信號的脈沖偏差tHIGHtLOW102 2輸出管腳間偏差（輸出管腳間偏差（ ） 輸出管腳間偏

12、差（輸出管腳間偏差（ ）被定義為在一個器件內(nèi)各輸出管腳之間的最大傳輸延遲之差，）被定義為在一個器件內(nèi)各輸出管腳之間的最大傳輸延遲之差，因此也稱為：因此也稱為： 。在一般的邏輯器件手冊中，輸出時鐘信號的傳輸延遲時間定義有兩種：。在一般的邏輯器件手冊中，輸出時鐘信號的傳輸延遲時間定義有兩種：輸出時鐘信號由高到低的傳輸延遲時間和由低到高的傳輸延遲時間，所以輸出管腳間偏輸出時鐘信號由高到低的傳輸延遲時間和由低到高的傳輸延遲時間，所以輸出管腳間偏差也有兩個定義，即差也有兩個定義，即: : （ ） （ ）其具體定義為：其具體定義為： |minmaxPHLPHLOSHLttt（4-1-5）|minmaxPL

13、HPLHOSLHttt（4-1-6）圖圖4-1-6 時鐘信號的輸出管腳間偏差時鐘信號的輸出管腳間偏差tOSHL理想時鐘理想時鐘output1output2tOSLH113.3.器件間偏差（器件間偏差（ ） 定義：定義： 在一個系統(tǒng)中，不同器件的輸出上升沿（下降沿）之間的延遲時間差別。在一個系統(tǒng)中，不同器件的輸出上升沿（下降沿）之間的延遲時間差別。用用 表示。表示。 tskewpp 對各種產(chǎn)品手冊給出的對各種產(chǎn)品手冊給出的 指標(biāo)，我們需要特別給予關(guān)注，指標(biāo)，我們需要特別給予關(guān)注， 必須明確所給指標(biāo)的限定必須明確所給指標(biāo)的限定條件。這是因為條件。這是因為 的大小與兩個因素有關(guān)：一是時鐘傳輸過程的變

14、化，或者說是時鐘傳的大小與兩個因素有關(guān)：一是時鐘傳輸過程的變化，或者說是時鐘傳輸?shù)木唧w形式不同。二是不同器件所處環(huán)境的變化。輸?shù)木唧w形式不同。二是不同器件所處環(huán)境的變化。 電源電壓變化和環(huán)境溫度變化是硅器件中影響傳輸延遲的兩個主要因素，對電源電壓變化和環(huán)境溫度變化是硅器件中影響傳輸延遲的兩個主要因素，對 指標(biāo)來指標(biāo)來說，這是非常重要的限定條件。說，這是非常重要的限定條件。 對于單電源的單板系統(tǒng)來說，板上各元件使用相同的電源。電源的變化對對于單電源的單板系統(tǒng)來說，板上各元件使用相同的電源。電源的變化對 影響就影響就小一些。而在多電源、多板系統(tǒng)中，電源的變化對小一些。而在多電源、多板系統(tǒng)中，電源的

15、變化對 影響就成為一個重要的因數(shù)。即使影響就成為一個重要的因數(shù)。即使不同的板使用同一電源，但由于各處對電源電流的需求不同，使得各板上實際得到電不同的板使用同一電源，但由于各處對電源電流的需求不同，使得各板上實際得到電源電壓也不同。源電壓也不同。 環(huán)境溫度變化的影響更為復(fù)雜，由于各元件本身產(chǎn)生的熱量不同，元件分布的密度環(huán)境溫度變化的影響更為復(fù)雜，由于各元件本身產(chǎn)生的熱量不同，元件分布的密度不同，散熱條件不同，使得個元件所處位置的實際溫度差別很大。因而，會產(chǎn)生較大不同，散熱條件不同，使得個元件所處位置的實際溫度差別很大。因而，會產(chǎn)生較大的的 。 124-1-3 4-1-3 時鐘抖動（時鐘抖動（ ）

16、 時鐘偏差雖然對系統(tǒng)時鐘的性能影響很大，但其影響可以認(rèn)為基本上是一種靜態(tài)時鐘偏差雖然對系統(tǒng)時鐘的性能影響很大，但其影響可以認(rèn)為基本上是一種靜態(tài)因素，或者說，其影響是固定的。因素，或者說，其影響是固定的。 定義：定義： 當(dāng)實際時鐘信號的邊沿與理想時鐘邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、當(dāng)實際時鐘信號的邊沿與理想時鐘邊沿的偏離由于受某種因素（如噪聲、串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時，而且這種變化是隨機的，這種現(xiàn)象串?dāng)_、電源電壓變化等）不斷發(fā)生變化時，而且這種變化是隨機的，這種現(xiàn)象就是我們常說的時鐘抖動，或者說時鐘晃動。這種偏離相對于理想位置可能是就是我們常說的時鐘抖動，或者說時鐘晃動。這種偏離相

17、對于理想位置可能是超前，也可能是滯后的，如圖超前，也可能是滯后的，如圖7-1-77-1-7所示。時鐘抖動的數(shù)值表示通常有兩種：所示。時鐘抖動的數(shù)值表示通常有兩種： 時鐘抖動的最大值，即：峰時鐘抖動的最大值，即：峰- -峰值（），單位一般為皮秒，常用峰值（），單位一般為皮秒，常用來表示。來表示。 時鐘抖動的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（時鐘抖動的均方根值，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)方差（），單位一般也為皮秒。），單位一般也為皮秒。圖圖4-1-7 時鐘抖動示意圖時鐘抖動示意圖13時鐘抖動的分類時鐘抖動的分類 一一. . 周期抖動（周期抖動（ ） 周期抖動也被稱為短時間抖動（周期抖動也被稱為短時間抖動（ ）。它是指

18、相對于理想輸入的時鐘周期而言，）。它是指相對于理想輸入的時鐘周期而言，輸出時鐘跳變偏離其理想位置的偏離量，如圖輸出時鐘跳變偏離其理想位置的偏離量，如圖4-1-84-1-8所示。所示。 理想的輸入時鐘周期是時鐘信號頻率的倒數(shù)，但是實際輸出時鐘的每個周期與理想理想的輸入時鐘周期是時鐘信號頻率的倒數(shù)，但是實際輸出時鐘的每個周期與理想周期都有差值，經(jīng)過多次測量得到的這種差值的最大值即為周期抖動的峰周期都有差值，經(jīng)過多次測量得到的這種差值的最大值即為周期抖動的峰- -峰值，峰值，如式如式(4-1-7)(4-1-7)所示。所示。通常把時鐘抖動分為三類：通常把時鐘抖動分為三類： 周期抖動（周期抖動（ ），）

19、， 抖動和長期時鐘抖動（抖動和長期時鐘抖動（ ）)()()(nperjitperPPtMaxJitter其中：其中：()為周期抖動的峰為周期抖動的峰-峰值，峰值，()n為在單次測量為在單次測量中，時鐘的實際周期與理想周期的偏差，中，時鐘的實際周期與理想周期的偏差，n為整數(shù)。為整數(shù)。圖圖4-1-8 4-1-8 周期抖動示意圖周期抖動示意圖（4-1-7）14時鐘周期抖動的均方差值時鐘周期抖動的均方差值RMSJitter 時鐘抖動的均方根值經(jīng)常也用時鐘抖動的均方根值經(jīng)常也用表示，如式（表示，如式（4-1-94-1-9）所示。）所示。 按照數(shù)理統(tǒng)計的理論，時鐘周期抖動的均方差值可以由式（按照數(shù)理統(tǒng)計的

20、理論，時鐘周期抖動的均方差值可以由式（4-1-84-1-8）描述。）描述。 其中，其中， 表示時鐘周期抖動的均方差值，表示時鐘周期的第表示時鐘周期抖動的均方差值，表示時鐘周期的第i i次測量值，次測量值，T T表示時鐘周期的表示時鐘周期的理想值。理想值。 2102)(TTtJitteriiRMS（4-1-8）2102)(TTtii（4-1-9）15抖動的均方差值與峰抖動的均方差值與峰- -峰值峰值 按照數(shù)理統(tǒng)計的理論，時鐘周按照數(shù)理統(tǒng)計的理論，時鐘周期抖動的均方差值與峰期抖動的均方差值與峰- -峰值的關(guān)系峰值的關(guān)系可以由式（可以由式（4-1-104-1-10）描述。）描述。 （4-1-10）R

21、MSPPt7t16半周期抖動（半周期抖動（ ）)()(max)(nhperJithperJittMaxt 近年來一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即：雙數(shù)據(jù)率（近年來一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，即：雙數(shù)據(jù)率（ ，簡稱：）得，簡稱：）得到了大量的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的時鐘同步傳輸技術(shù)不同，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)利用到了大量的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的時鐘同步傳輸技術(shù)不同，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)利用時鐘信號的兩個邊沿，即時鐘的上升沿和下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使時鐘信號的兩個邊沿，即時鐘的上升沿和下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而使數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了一倍。由于有了這種新的數(shù)據(jù)傳輸機制，所謂的數(shù)據(jù)的傳輸速率提高了一倍。由于有了這種新的數(shù)據(jù)傳輸機制，所謂的“

22、”的新概念被提出。的新概念被提出?！?”是指相對于理想輸入時鐘周期而言，在半個時是指相對于理想輸入時鐘周期而言，在半個時鐘周期里，輸出時鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量，如圖鐘周期里，輸出時鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量，如圖4-1-9所示。所示。（4-1-10） 圖圖4-1-94-1-9顯示了一個差分時鐘信顯示了一個差分時鐘信號的完整周期，即兩個半時鐘周期。號的完整周期，即兩個半時鐘周期。理想的輸入時鐘的半個周期應(yīng)是兩倍理想的輸入時鐘的半個周期應(yīng)是兩倍的時鐘信號頻率的倒數(shù)，但是實際輸?shù)臅r鐘信號頻率的倒數(shù)，但是實際輸出時鐘的每半個周期與理想的半周期出時鐘的每半個周期與理想的半周期都有差值，經(jīng)

23、過多次測量得到的這種都有差值，經(jīng)過多次測量得到的這種差值的最大值即為半周期抖動的峰差值的最大值即為半周期抖動的峰- -峰值，如式峰值，如式4-1-104-1-10所示。所示。圖圖4-1-9 Half-Period Jitter4-1-9 Half-Period Jitter示意圖示意圖17二二. . 前后周期抖動（前后周期抖動（ ）)()(nMaxccJitterMaxJitter 前后周期抖動（前后周期抖動（ ）是指后一個輸出時鐘周期相對于前一個輸出時鐘周期的變化量，）是指后一個輸出時鐘周期相對于前一個輸出時鐘周期的變化量，如圖如圖4-1-104-1-10所示。所示。1 1為第為第2 2個時

24、鐘周期與第個時鐘周期與第1 1個時鐘周期之間的時鐘抖動，而個時鐘周期之間的時鐘抖動，而2 2則是第則是第3 3個時個時鐘周期與第鐘周期與第2 2個時鐘周期之間的時鐘抖動。前后周期抖動一般用抖動的最大值表示，即經(jīng)個時鐘周期之間的時鐘抖動。前后周期抖動一般用抖動的最大值表示，即經(jīng)過多次測量，其測量最大值過多次測量，其測量最大值()()就是其最大的就是其最大的 。（4-1-11）圖圖4-1-10 Half-Period Jitter4-1-10 Half-Period Jitter示意圖示意圖18 的測量 在時鐘抖動測量中，這種在時鐘抖動測量中，這種 的測量是最為困難的，因為需要連續(xù)測量兩個相鄰的時

25、鐘周的測量是最為困難的，因為需要連續(xù)測量兩個相鄰的時鐘周期，這對測量儀器的精度要求非常高，而且為了掌握最大的期，這對測量儀器的精度要求非常高，而且為了掌握最大的 情況，需要測量大量的數(shù)據(jù)，情況，需要測量大量的數(shù)據(jù)，需要大量的存儲、計算和比較。通常使用專用的時間間隔分析儀（需要大量的存儲、計算和比較。通常使用專用的時間間隔分析儀（ ）進(jìn)行測量。）進(jìn)行測量。 另一種測量方法是使用具有足夠內(nèi)存容量的寬帶數(shù)字存儲示波器。在這種方法中，先另一種測量方法是使用具有足夠內(nèi)存容量的寬帶數(shù)字存儲示波器。在這種方法中，先用數(shù)字存儲示波器一次存取大量周期的被測時鐘信號，然后使用商業(yè)有效的軟件或自己編用數(shù)字存儲示波器

26、一次存取大量周期的被測時鐘信號，然后使用商業(yè)有效的軟件或自己編寫的專用軟件進(jìn)行分析和計算，得到測試結(jié)果。圖寫的專用軟件進(jìn)行分析和計算，得到測試結(jié)果。圖4-1-104-1-10是使用公司的數(shù)字存儲示波器測是使用公司的數(shù)字存儲示波器測試的一個試的一個4141時鐘的時鐘的 。 : 8600A (6 ) : 066 (7.5)圖圖4-1-10 4-1-10 一個一個4141時鐘的時鐘的 19三三. .長時間時鐘抖動（長時間時鐘抖動（ ） 長時間時鐘抖動指的是測量經(jīng)過大量的時鐘周期后，輸出時鐘跳變偏離其理想位置的長時間時鐘抖動指的是測量經(jīng)過大量的時鐘周期后，輸出時鐘跳變偏離其理想位置的最大偏離量。實際的

27、時鐘周期數(shù)量取決于時鐘頻率和具體的應(yīng)用。對于機主板和圖像應(yīng)用，最大偏離量。實際的時鐘周期數(shù)量取決于時鐘頻率和具體的應(yīng)用。對于機主板和圖像應(yīng)用，這通常是這通常是10-2010-20S S。圖圖 4-1-11 4-1-11 長時間時鐘抖動長時間時鐘抖動 20時鐘抖動的表示方法時鐘抖動的表示方法 用絕對時間來表示抖動量，即變化沿偏離理想位置的時間。在敘述上面幾種度量方法用絕對時間來表示抖動量，即變化沿偏離理想位置的時間。在敘述上面幾種度量方法 時，均以絕對時間來表示。時，均以絕對時間來表示。 用百分比來表示抖動量，即絕對抖動量在一個周期中所占的百分比。用百分比來表示抖動量，即絕對抖動量在一個周期中所

28、占的百分比。 用角度來表示抖動量。把一個周期定義為用角度來表示抖動量。把一個周期定義為360，抖動被表示為，抖動被表示為360中一個角度。中一個角度。 用均方根值用均方根值（ ）來表示抖動量，這是抖動的統(tǒng)計量，可以用峰）來表示抖動量，這是抖動的統(tǒng)計量，可以用峰-峰間的峰間的 抖動值（抖動值（ ）來近似地表示抖動的均方根值）來近似地表示抖動的均方根值，它們之間的近似關(guān)，它們之間的近似關(guān) 系為：系為：例：例： 假定時鐘頻率為假定時鐘頻率為155.52，那么它的周期為，那么它的周期為 1/155.52 = 6.43 = 360。假定。假定 峰峰-峰抖動的絕對時間為峰抖動的絕對時間為100，那么：，那

29、么： 抖動的絕對時間：抖動的絕對時間： 100 1.5552 （百分比抖動）（百分比抖動） 5.598（角度抖動）（角度抖動） 抖動的統(tǒng)計量：均方根值為：抖動的統(tǒng)計量：均方根值為： 100 / 7 = 14.286 占周期的百分比：占周期的百分比： 0.015552 / 7 = 0.22217RMSPPt7t（4-1-12）21同步時序方程同步時序方程同步數(shù)據(jù)傳輸機制同步數(shù)據(jù)傳輸機制- -時序方程：時序方程：jitterskewsetupflightvalidCLKCLKtttT(max)(max)1jitterskewholdflightvalidCLKCLKttt(max)(min)(mi

30、n)建立方程：建立方程：保持方程：保持方程：22本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié) 實際的時鐘信號總是存在著誤差，指的是實際的時鐘信號總是存在著誤差，指的是“時鐘信號的理想時鐘信號的理想“沿變沿變”和實際上和實際上 的的“沿變沿變”之差之差”。 時鐘信號的誤差，按誤差性質(zhì)來分，可以分為兩種：時鐘信號的誤差，按誤差性質(zhì)來分，可以分為兩種： 時鐘偏差（時鐘偏差（ ）：）： 靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差。 時鐘抖動（時鐘抖動（ ）：動態(tài)誤差。）：動態(tài)誤差。 時鐘偏差的大小可用時鐘偏差的大小可用“時鐘性能損失時鐘性能損失”來表示，也可以用偏差的絕對來表示，也可以用偏差的絕對 數(shù)值表征。數(shù)值表征。 時鐘抖動一般采用兩種方法度量：時

31、鐘抖動一般采用兩種方法度量： 峰峰- -峰值（峰值（ ） 均方根值（）均方根值（） 同步時序方程同步時序方程RMSPPt7t234-2 時鐘的產(chǎn)生時鐘的產(chǎn)生 石英晶體振蕩器是目前數(shù)字電路設(shè)計中使用最為廣泛的一種時鐘源。石英晶體振蕩器是目前數(shù)字電路設(shè)計中使用最為廣泛的一種時鐘源。 在石英諧振器問世之前，人們主要使用振蕩器，其頻率穩(wěn)定性只能達(dá)到在石英諧振器問世之前，人們主要使用振蕩器，其頻率穩(wěn)定性只能達(dá)到10-4量級。自量級。自1880年法國物理學(xué)家比埃爾年法國物理學(xué)家比埃爾居里兄弟共同發(fā)現(xiàn)居里兄弟共同發(fā)現(xiàn)“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”起，揭開了使用起，揭開了使用“石英穩(wěn)頻石英穩(wěn)頻”的的序幕。序幕。1921

32、年，在居里兄弟發(fā)現(xiàn)年，在居里兄弟發(fā)現(xiàn)“壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”41年后，英國人用年后，英國人用X切切50晶體制成了世界上第晶體制成了世界上第一個晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定性達(dá)到一個晶體振蕩器，頻率穩(wěn)定性達(dá)到10-5量級，比振蕩器高出一個數(shù)量級。隨后被用于無線量級，比振蕩器高出一個數(shù)量級。隨后被用于無線電廣播，播出了當(dāng)時穩(wěn)定性最高的無線電信號，引起了強烈反響。電廣播，播出了當(dāng)時穩(wěn)定性最高的無線電信號，引起了強烈反響。1927年，石英鐘問世，年，石英鐘問世，作為作為“一級頻率標(biāo)準(zhǔn)一級頻率標(biāo)準(zhǔn)”使用?？茖W(xué)家由此發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，結(jié)束了以地球自轉(zhuǎn)為使用?？茖W(xué)家由此發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，結(jié)束了以地球自轉(zhuǎn)

33、為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)的“地球時鐘地球時鐘”的歷史使命。的歷史使命。 石英諧振器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)決定了石英晶體振蕩器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)。前者石英諧振器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)決定了石英晶體振蕩器的技術(shù)水平和性能指標(biāo)。前者的設(shè)計水平和制造工藝技術(shù)的每一次突破，都帶來了后者在性能指標(biāo)上的一次突破。的設(shè)計水平和制造工藝技術(shù)的每一次突破，都帶來了后者在性能指標(biāo)上的一次突破。 大體上，其頻率準(zhǔn)確性每二十年提高一個數(shù)量級。例如：大體上，其頻率準(zhǔn)確性每二十年提高一個數(shù)量級。例如：1940年為年為10-310-4；1980年年為為10-510-6；2000年約為年約為10-610-7。 頻率穩(wěn)定性大約每十年提高一個數(shù)

34、量級。頻率穩(wěn)定性大約每十年提高一個數(shù)量級。4-2-1 晶體振蕩器晶體振蕩器244-2-2 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 圖圖4-2-134-2-13是鎖相環(huán)電路的基本組成。盡管鎖相環(huán)的設(shè)計方法多種多樣，但所有的設(shè)計都是鎖相環(huán)電路的基本組成。盡管鎖相環(huán)的設(shè)計方法多種多樣，但所有的設(shè)計都包含了圖包含了圖4-2-134-2-13中的三個基本成分：中的三個基本成分： 鑒相器（鑒相器（ ，簡稱為：），簡稱為：） 低通濾波器（低通濾波器（ ，簡稱為：），簡稱為：） 壓控振蕩器（壓控振蕩器（ ，簡稱為：，簡稱為： ）。）。鎖相環(huán)實質(zhì)上就是自動相位控制，它是一個典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。它的基本功能是跟蹤輸入鎖相環(huán)實質(zhì)上就是

35、自動相位控制，它是一個典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。它的基本功能是跟蹤輸入信號的相位，這一功能是通過鑒相器產(chǎn)生一個與輸入信號和壓控振蕩器輸出信號的相位差成比信號的相位，這一功能是通過鑒相器產(chǎn)生一個與輸入信號和壓控振蕩器輸出信號的相位差成比例的電壓而完成的。相位誤差電壓通過低通濾波器，在那里抑制了噪聲和高頻信號成分。經(jīng)濾例的電壓而完成的。相位誤差電壓通過低通濾波器，在那里抑制了噪聲和高頻信號成分。經(jīng)濾波后的相位誤差電壓調(diào)制了頻率，重新在鑒相器中與輸入信號比較，直到輸出以固定的相位關(guān)波后的相位誤差電壓調(diào)制了頻率，重新在鑒相器中與輸入信號比較，直到輸出以固定的相位關(guān)系鎖住輸入信號。鎖相環(huán)通過跟蹤信號的相位，頻率

36、同步和頻率跟蹤便獲得了。系鎖住輸入信號。鎖相環(huán)通過跟蹤信號的相位，頻率同步和頻率跟蹤便獲得了。圖圖4-2-13 4-2-13 鎖相環(huán)的三個基本組成部分鎖相環(huán)的三個基本組成部分254-2-3 直接數(shù)字合成（）直接數(shù)字合成（） 直接數(shù)字合成（直接數(shù)字合成（ ，簡稱為：），簡稱為：） 直接數(shù)字合成是用數(shù)字控制的方法從一個參考時鐘來產(chǎn)生多種頻率直接數(shù)字合成是用數(shù)字控制的方法從一個參考時鐘來產(chǎn)生多種頻率的輸出時鐘。輸出時鐘的頻率可以在大范圍內(nèi)變化，并且具有良好的頻率的輸出時鐘。輸出時鐘的頻率可以在大范圍內(nèi)變化，并且具有良好的頻率分辨率。在要求多種采樣率，且變化靈活、范圍較大的應(yīng)用情況下，采用分辨率。在要

37、求多種采樣率，且變化靈活、范圍較大的應(yīng)用情況下，采用技術(shù)來產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘不失為一個很好的途徑。技術(shù)來產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘不失為一個很好的途徑。（一）的工作原理（一）的工作原理 圖圖4-2-204-2-20是一個的基本原理框圖。它的基本技術(shù)是所謂的數(shù)字控制是一個的基本原理框圖。它的基本技術(shù)是所謂的數(shù)字控制振蕩器技術(shù)（：振蕩器技術(shù)（： ）。）。輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲器存儲器DAC濾波器濾波器低通低通fofcnnnnnN相位累加器 圖圖4-2-20 的基本原理框圖的基本原理框圖 26相位累加器的工作原理相位累加器的工作原理 的核心是相位累加器，如圖的核心是相位

38、累加器，如圖4-2-204-2-20中（虛線框）所示。相位累加器由三部分組成，即相位中（虛線框）所示。相位累加器由三部分組成，即相位寄存器，寄存器，相位寄存器和加法器。相位寄存器和加法器。 相位累加器的輸出隨系統(tǒng)參考時鐘（）的每一個周期更新一次，即在每一個時鐘周期，相相位累加器的輸出隨系統(tǒng)參考時鐘（）的每一個周期更新一次，即在每一個時鐘周期，相位累加器的輸出都增加位累加器的輸出都增加M M大小。所以我們稱大小。所以我們稱M M為相位增量。為相位增量。 假定假定相位寄存器的相位寄存器的M M值為值為0000000101，而相位寄存器的初始值設(shè)定為，而相位寄存器的初始值設(shè)定為0000000000，

39、則每一個時，則每一個時鐘周期，相位累加器的輸出增加鐘周期，相位累加器的輸出增加0000000101。如果相位累加器的字長為。如果相位累加器的字長為3232位，即位，即n = 32n = 32，則相位，則相位累加器的輸出重新返回到累加器的輸出重新返回到0000000000的初始值需要的初始值需要 個時鐘周期。個時鐘周期。 很顯然，很顯然，M M值的大小決定了相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期（值的大小決定了相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周期（T T）, , 我們有：我們有：TMfnc21輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲器存儲器DAC濾波器濾波器低通低通fo

40、fcnnnnnN相位累加器相位累加器322 由式（由式（4-2-204-2-20）可看出，）可看出，T T與與M M成反比。成反比。M M值越大，相位累值越大，相位累加器全部輸出值循環(huán)一次的周加器全部輸出值循環(huán)一次的周期就越小，反之依然。期就越小，反之依然。（4-2-20） 27 如圖如圖4-2-204-2-20中所示：相位累加器的輸出用來作為一個正弦波數(shù)據(jù)存儲器的地址。該存儲器中所示：相位累加器的輸出用來作為一個正弦波數(shù)據(jù)存儲器的地址。該存儲器存有一個完整周期正弦波所對應(yīng)的全部幅度值，所以，當(dāng)相位累加器的輸出對該存儲器尋址時，存有一個完整周期正弦波所對應(yīng)的全部幅度值，所以，當(dāng)相位累加器的輸出

41、對該存儲器尋址時，就得到從就得到從0 0度到度到360360度正弦波波形中的一個相位點。因此，隨著相位累加器的輸出不斷變化（每度正弦波波形中的一個相位點。因此，隨著相位累加器的輸出不斷變化（每次增加次增加M M大?。?，正弦波數(shù)據(jù)存儲器中的對應(yīng)正弦波幅度值就不斷被讀出。當(dāng)相位累加器全部大?。?，正弦波數(shù)據(jù)存儲器中的對應(yīng)正弦波幅度值就不斷被讀出。當(dāng)相位累加器全部輸出值被循環(huán)一次時（周期為輸出值被循環(huán)一次時（周期為T T），則正弦波數(shù)據(jù)存儲器正好輸出一個完整周期的正弦波幅度），則正弦波數(shù)據(jù)存儲器正好輸出一個完整周期的正弦波幅度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過一個和一個低通濾波器輸出，形成一個完整的正弦波波形。數(shù)據(jù)。該

42、數(shù)據(jù)通過一個和一個低通濾波器輸出，形成一個完整的正弦波波形。 對于一個對于一個n n位的相位累加器，一共有位的相位累加器，一共有 個可能的相位點，而個可能的相位點，而相位寄存器中的相位寄存器中的M M值則決定了值則決定了相位累加器每次增加的量。相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（相位累加器每次增加的量。相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（T T），就是正弦），就是正弦波數(shù)據(jù)存儲器輸出一個完整正弦波幅度數(shù)據(jù)的周期。因此，輸出正弦波的頻率波數(shù)據(jù)存儲器輸出一個完整正弦波幅度數(shù)據(jù)的周期。因此，輸出正弦波的頻率 （f0f0）就是相）就是相位累加器的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（位累加器

43、的輸出值全部循環(huán)一次所需要的周期（T T）的倒數(shù)。我們有：）的倒數(shù)。我們有：ncofMTf21（4-2-21） n2 式（式（4-2-21）是的基本關(guān)系式，）是的基本關(guān)系式，被稱為被稱為“ ”。輸入輸入相位相位寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器相位相位MSIN存儲器存儲器DAC濾波器濾波器低通低通fofcnnnnnN相位累加器相位累加器28 n2 數(shù)字相位輪很形象地解釋數(shù)字相位輪很形象地解釋了相位累加器的工作原理。了相位累加器的工作原理。 相位輪一周的相位點數(shù)量相位輪一周的相位點數(shù)量取決于取決于n n，最大值為：，最大值為： 。 M M數(shù)值給出了每次相位變數(shù)值給出了每次相位變化的增量?；脑?/p>

44、量。M M大意味著相位輪大意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時間少，輸出旋轉(zhuǎn)一周需要的時間少，輸出的信號頻率就高；的信號頻率就高；M M小則意味小則意味著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時間著相位輪旋轉(zhuǎn)一周需要的時間多，輸出的信號頻率就低。多，輸出的信號頻率就低。 輸出頻率的數(shù)值取決輸出頻率的數(shù)值取決于三個因素：于三個因素： M M，n n和工作時和工作時鐘。鐘。 圖圖4-2-21 相位累加器的數(shù)字相位輪表示相位累加器的數(shù)字相位輪表示 ncofMTf2129取樣輸出信號的頻譜取樣輸出信號的頻譜 類似于類似于, ,當(dāng)中的正弦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過一個形成正弦波信號時，輸出信號中也同時含有其混當(dāng)中的正弦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過一個形成正弦

45、波信號時，輸出信號中也同時含有其混疊信號（疊信號（ ）的頻譜成份。）的頻譜成份。-3.92dB 圖圖4-2-23 取樣輸出信號的頻譜取樣輸出信號的頻譜 30低通濾波器（）低通濾波器（） 按照仙農(nóng)取樣定理，輸出頻按照仙農(nóng)取樣定理，輸出頻 率可高達(dá)率可高達(dá)1/21/2的時鐘頻率。的時鐘頻率。 但必須有理想的濾波器。但必須有理想的濾波器。 理想濾波器是不現(xiàn)實的。理想濾波器是不現(xiàn)實的。 物理上可實現(xiàn)的濾波器物理上可實現(xiàn)的濾波器 將輸出頻率限制在時鐘頻率將輸出頻率限制在時鐘頻率 的的40%40%以內(nèi)。以內(nèi)。DDSLPFfo 圖圖4-2-24 低通濾波器低通濾波器31的特點的特點 輸出頻率范圍大輸出頻率范

46、圍大 從的基本關(guān)系式可以看出，改變相位增量從的基本關(guān)系式可以看出，改變相位增量M M值可以很方便地改變的輸出頻率。理論上（仙值可以很方便地改變的輸出頻率。理論上（仙農(nóng)取樣定理），農(nóng)取樣定理），M M值的取值范圍可以從值的取值范圍可以從1 12121，變化范圍非常大。當(dāng)，變化范圍非常大。當(dāng)M M從從1 12121變化時，變化時，f0f0的變的變化范圍可以從化范圍可以從2n 2n 2 2，M M值越大，輸出頻率越高。值越大，輸出頻率越高。 頻率分辨率高頻率分辨率高 式（式（4-2-214-2-21）中）中M M值的取值變化最小為值的取值變化最小為1 1，這意味著其頻率變化的最小值為，這意味著其頻率

47、變化的最小值為2n2n，即：頻率，即：頻率分辨率相當(dāng)高。若分辨率相當(dāng)高。若125M125M；3232，則，則f = 125232 f = 125232 0.02910 0.02910 相位連續(xù)性相位連續(xù)性 如圖如圖4-2-204-2-20所示，所示，相位寄存器中的相位寄存器中的M M值可以以字串行方式或字節(jié)串行方式先送入到一個值可以以字串行方式或字節(jié)串行方式先送入到一個輸入數(shù)據(jù)寄存器中，然后由同步，并行地一次輸入輸入數(shù)據(jù)寄存器中，然后由同步，并行地一次輸入相位寄存器中。所以說當(dāng)改變相位寄存器中。所以說當(dāng)改變M M值來改值來改變輸出頻率時，輸出信號的相位是連續(xù)的。變輸出頻率時，輸出信號的相位是連

48、續(xù)的。 因此，可以輸出頻率分辨率非常小因此，可以輸出頻率分辨率非常小, ,頻率變化范圍很大的時鐘信號，這正是與其它時鐘頻率變化范圍很大的時鐘信號，這正是與其它時鐘技術(shù)相比最大的優(yōu)點。另外，的控制方式是全數(shù)字化的，使人們可以很容易地利用技術(shù)獲得技術(shù)相比最大的優(yōu)點。另外，的控制方式是全數(shù)字化的，使人們可以很容易地利用技術(shù)獲得能夠精細(xì)調(diào)節(jié)，改變非常快，且在頻率改變時，相位連續(xù)的輸出時鐘信號。能夠精細(xì)調(diào)節(jié)，改變非?？欤以陬l率改變時，相位連續(xù)的輸出時鐘信號。ncofMTf21324-2-4 大頻率范圍，精細(xì)可調(diào)的頻率合成器大頻率范圍，精細(xì)可調(diào)的頻率合成器 頻率合成器頻率合成器 提供一個頻率粗調(diào)（提供一

49、個頻率粗調(diào)（N）。）。 在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。 總的頻率分辨取決于的頻率分辨，通?？偟念l率分辨取決于的頻率分辨，通常 1。 為了使輸出調(diào)節(jié)連續(xù)，應(yīng)有的輸出頻率帶寬為了使輸出調(diào)節(jié)連續(xù)，應(yīng)有的輸出頻率帶寬 。 Phase DetectorLoop FilterVCO NLPFBPF PDDS fREF fOUTOptional33輸出頻率和頻率分辨輸出頻率和頻率分辨電路中的電路中的P分頻器是可選的，因而有兩種情形：分頻器是可選的，因而有兩種情形： P = 1： P 1： Phase DetectorLoop FilterVCO NLPFBPF PDDS

50、 fREF fOUTDDSREFOUTffNfDDSffDDSREFOUTfPfPNfDDSfPf34 頻率合成器頻率合成器 N P 特點：特點： 提供一個頻率粗調(diào)（提供一個頻率粗調(diào)（N N）。）。 在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。在頻率粗調(diào)之間提供頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。 總的頻率分辨取決于的頻率分辨，通?？偟念l率分辨取決于的頻率分辨，通常 1 1。 35芯片舉例：芯片舉例：99529952 M：1232-1 ； n：32 輸出頻率：輸出頻率： 輸入頻率：輸入頻率： = 400 頻率分辨：頻率分辨： f = 4002320.09313 ： 14位位 輸出頻率：輸出頻率： = 400 倍增系數(shù)：倍增

51、系數(shù)：420 時鐘源：內(nèi)部振蕩器，外部輸時鐘源：內(nèi)部振蕩器，外部輸入時鐘入時鐘 電壓比較器：電壓比較器： = 200 322cofMfOPOW3602143699529952應(yīng)用舉例（應(yīng)用舉例（1 1） 頻率合成器頻率合成器379952099520應(yīng)用舉例（應(yīng)用舉例（2 2）帶有獨立零點調(diào)節(jié)的調(diào)制載波頻率發(fā)生器帶有獨立零點調(diào)節(jié)的調(diào)制載波頻率發(fā)生器383-3 3-3 時鐘信號的傳輸和分布時鐘信號的傳輸和分布 目標(biāo)：目標(biāo)： 將高精度的時鐘源產(chǎn)生的時鐘信號在符合系統(tǒng)對時鐘的頻將高精度的時鐘源產(chǎn)生的時鐘信號在符合系統(tǒng)對時鐘的頻率，相位要求，時鐘的抖動（）和偏差（）率，相位要求，時鐘的抖動（）和偏差（）

52、 要求，以及信號完要求，以及信號完整性要求的傳輸和分布的條件下傳遞到數(shù)字系統(tǒng)的各個部分，整性要求的傳輸和分布的條件下傳遞到數(shù)字系統(tǒng)的各個部分，滿足時序設(shè)計的需求。滿足時序設(shè)計的需求。 3-3-1 3-3-1 基本概念基本概念39基本時序設(shè)計基本時序設(shè)計基本時序設(shè)計可以大致分為類：基本時序設(shè)計可以大致分為類： 邏輯單元電路的工作時序與最高工作頻率邏輯單元電路的工作時序與最高工作頻率 存儲器的最小讀寫周期存儲器的最小讀寫周期 處理器的工作頻率和處理器的工作頻率和 操作操作 電路單元之間的同步數(shù)據(jù)傳輸電路單元之間的同步數(shù)據(jù)傳輸 非同步時鐘情況下的數(shù)據(jù)同步非同步時鐘情況下的數(shù)據(jù)同步40高速數(shù)字系統(tǒng)中時

53、鐘信號傳輸和分布的特點高速數(shù)字系統(tǒng)中時鐘信號傳輸和分布的特點 單頻率時鐘，或多頻率的不同時鐘信號的傳輸和分布。單頻率時鐘，或多頻率的不同時鐘信號的傳輸和分布。 同相位時鐘，或不同相位時鐘的傳輸和分布。同相位時鐘，或不同相位時鐘的傳輸和分布。 不同電平，不同擺幅的數(shù)字邏輯共存。不同電平，不同擺幅的數(shù)字邏輯共存。 一般來說，整個系統(tǒng)的的不同時鐘信號之間具有相位關(guān)系，一般來說，整個系統(tǒng)的的不同時鐘信號之間具有相位關(guān)系， 是由同一個時鐘源產(chǎn)生，但也有例外。是由同一個時鐘源產(chǎn)生，但也有例外。 時鐘傳輸和分布的規(guī)?？梢韵嗖詈艽?，可以是板級的，單機時鐘傳輸和分布的規(guī)?？梢韵嗖詈艽?，可以是板級的，單機 箱級，

54、甚至是多機箱，數(shù)十機箱范圍。箱級，甚至是多機箱，數(shù)十機箱范圍。 高扇出（）。高扇出（）。413-3-2 3-3-2 時鐘信號傳輸和分布的技術(shù)措施時鐘信號傳輸和分布的技術(shù)措施主要考慮的問題主要考慮的問題 時鐘抖動（）時鐘抖動（） 時鐘偏差（）時鐘偏差（） 信號完整性（信號完整性（ ） 串?dāng)_串?dāng)_ 地反彈噪聲地反彈噪聲 諧振諧振 反射反射 容性負(fù)載容性負(fù)載 高扇出（）。高扇出（）。42一一. . 集成電路類型選擇集成電路類型選擇 高速集成電路高速集成電路上升上升/下降時間，傳輸延下降時間，傳輸延遲時間遲時間; ; 滿足需要即可滿足需要即可 低擺幅低擺幅 高集成度高集成度 差分電路差分電路 低功耗低功

55、耗 工藝工藝 3.3V; 2.5V; 1.7V43二減少系統(tǒng)噪聲二減少系統(tǒng)噪聲 穩(wěn)定的電源設(shè)備和器件穩(wěn)定的電源設(shè)備和器件直流電源和穩(wěn)壓器直流電源和穩(wěn)壓器電源濾波電源濾波 電源系統(tǒng)與地系統(tǒng)設(shè)計電源系統(tǒng)與地系統(tǒng)設(shè)計多層板和最小電感原則設(shè)計多層板和最小電感原則設(shè)計旁路電容考慮旁路電容考慮過孔考慮過孔考慮地地“隔離隔離”設(shè)計設(shè)計 按電流大小分區(qū)布局，減少大電流器件對其它電路的影響按電流大小分區(qū)布局，減少大電流器件對其它電路的影響 很好的電磁屏蔽，防止大的電磁干擾。很好的電磁屏蔽，防止大的電磁干擾。 選擇器件封裝（選擇器件封裝（ ，），減少地反彈噪聲，），減少地反彈噪聲 盡可能采用差分電路盡可能采用差分

56、電路44三同相位時鐘分布三同相位時鐘分布兩方面考慮：兩方面考慮： 交流驅(qū)動能力和交流驅(qū)動能力和“時鐘樹時鐘樹”設(shè)設(shè)計計 控制時鐘偏差控制時鐘偏差 45（一）（一） 交流驅(qū)動能力和交流驅(qū)動能力和“時鐘樹時鐘樹”設(shè)計設(shè)計直流驅(qū)動能力與交流驅(qū)動能力直流驅(qū)動能力與交流驅(qū)動能力 一般數(shù)字集成電路（一般數(shù)字集成電路（, ）的直流驅(qū)動能力都比較大，可以驅(qū)動幾十，）的直流驅(qū)動能力都比較大，可以驅(qū)動幾十，甚甚 至上百個同類電路。至上百個同類電路。 由于要保證時鐘信號的完整性，電路的交流驅(qū)動能力一般都比較由于要保證時鐘信號的完整性，電路的交流驅(qū)動能力一般都比較?。ㄖ饕且驗檫^小（主要是因為過 多的電路負(fù)載帶來嚴(yán)重

57、的容性負(fù)載，導(dǎo)致時鐘的上升時間變大，多的電路負(fù)載帶來嚴(yán)重的容性負(fù)載，導(dǎo)致時鐘的上升時間變大，時鐘抖動增加）。時鐘抖動增加）。 簡單的總線式驅(qū)動是不可行的（上升沿增大，時鐘抖動增加，反簡單的總線式驅(qū)動是不可行的（上升沿增大，時鐘抖動增加，反射增大）。射增大）。 并行的串連點到點驅(qū)動需要很大的驅(qū)動電流，實際使用時也受到了并行的串連點到點驅(qū)動需要很大的驅(qū)動電流，實際使用時也受到了很大的限制。很大的限制。圖圖4-3-2 總線式時鐘驅(qū)動總線式時鐘驅(qū)動圖圖4-3-3 并行的串聯(lián)點并行的串聯(lián)點-點時鐘驅(qū)點時鐘驅(qū)動動46“時鐘樹時鐘樹”概念概念 多級多級1 1驅(qū)動驅(qū)動 級數(shù)的多少取決于需要驅(qū)動的電路數(shù)目。級數(shù)

58、的多少取決于需要驅(qū)動的電路數(shù)目。 每級每級1:41:4（根據(jù)實際情況）驅(qū)動。（根據(jù)實際情況）驅(qū)動。 級數(shù)的越多，時鐘偏差也越大。級數(shù)的越多，時鐘偏差也越大。 先前沒有專用的先前沒有專用的1 1時鐘驅(qū)動器，一般是時鐘驅(qū)動器，一般是 采用采用N N個普通門電路輸入并聯(lián)。個普通門電路輸入并聯(lián)。圖圖4-3-4 ”時鐘樹時鐘樹“原理示意圖原理示意圖“時鐘樹時鐘樹”設(shè)計設(shè)計 為了保證同相位傳輸和分布，為了保證同相位傳輸和分布，1驅(qū)驅(qū)動的實現(xiàn)，通常都是采用所謂的動的實現(xiàn)，通常都是采用所謂的“時鐘時鐘樹樹”設(shè)計。設(shè)計。47“時鐘樹時鐘樹”的拓?fù)湫问降耐負(fù)湫问綀D圖4-3-5 三種不同的三種不同的”時鐘樹時鐘樹“

59、拓?fù)湫问酵負(fù)湫问?8當(dāng)前的當(dāng)前的“時鐘樹時鐘樹”設(shè)計設(shè)計雖然現(xiàn)代高速數(shù)字電路的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，但隨著集成雖然現(xiàn)代高速數(shù)字電路的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，但隨著集成電路芯片的集成度快速增加，需要驅(qū)動的集成電路數(shù)目并沒電路芯片的集成度快速增加，需要驅(qū)動的集成電路數(shù)目并沒有增加，反而減少。有增加，反而減少。單片時鐘驅(qū)動電路的能力大大增加單片時鐘驅(qū)動電路的能力大大增加 1驅(qū)動器的通道數(shù)（驅(qū)動器的通道數(shù)（N）大大增加）大大增加鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路1驅(qū)動器可產(chǎn)生多組不同的時鐘信號輸出驅(qū)動器可產(chǎn)生多組不同的時鐘信號輸出零延遲零延遲1驅(qū)動器驅(qū)動器 以上兩方面的因素，使得當(dāng)前的以上兩方面的因素，使得當(dāng)前的“時鐘樹時鐘樹”

60、級數(shù)減少許多，級數(shù)減少許多，絕大部分系統(tǒng)單級即可。絕大部分系統(tǒng)單級即可。 49單級單級1驅(qū)動驅(qū)動1 : NN 圖圖4-3-6 單級單級1驅(qū)動驅(qū)動50（二）（二） 控制時鐘偏差控制時鐘偏差采用高速時鐘驅(qū)動電路采用高速時鐘驅(qū)動電路控制連線延遲控制連線延遲延遲線芯片延遲線芯片基于和的可程控時間延遲（）集成電路基于和的可程控時間延遲（）集成電路51控制連線延遲控制連線延遲 蛇行線（蛇行線（ ） 為了在大面積板上使各個部分，各個器件得到同相位的時鐘，為了在大面積板上使各個部分，各個器件得到同相位的時鐘，一個簡單的方一個簡單的方法是利用所謂的蛇行線產(chǎn)生等長度的板連線。圖法是利用所謂的蛇行線產(chǎn)生等長度的板連