唐 寧，張蓮蓮，張 可

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系，沈陽(yáng)110004）

一種模數(shù)混合結(jié)構(gòu)的延遲鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

唐 寧1，張蓮蓮2，張 可1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系，沈陽(yáng)110004）

數(shù)字系統(tǒng)通信的不斷發(fā)展，多種延遲鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)滿足了不同應(yīng)用要求。提出了一種模／數(shù)混合結(jié)構(gòu)的延遲鎖相環(huán)，改善了傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)和傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)各自的缺點(diǎn)，在數(shù)字系統(tǒng)中作為集成電路模塊單元使用。采用TSMC的0.25μm，1P5M，CMOS混合信號(hào)工藝進(jìn)行加工制備，模塊單元面積140×190μm2。

延遲鎖相環(huán)；混合結(jié)構(gòu)；集成電路模塊

1 引 言

隨著集成電路工藝技術(shù)進(jìn)入深亞微米時(shí)代，對(duì)微處理器和圖像處理等系統(tǒng)電路提出了加快時(shí)鐘頻率和降低功耗的要求。集成電路模塊之間的時(shí)鐘同步成為設(shè)計(jì)上關(guān)注的重要問(wèn)題，因而，大量的設(shè)計(jì)努力集中在高性能的數(shù)字接口電路與數(shù)字系統(tǒng)之間的通訊上。

延遲鎖相環(huán)作為一階反饋系統(tǒng)，具備無(wú)條件穩(wěn)定，快速鎖定時(shí)間及更好的防抖動(dòng)特性，一直廣泛地應(yīng)用于微處理器、存儲(chǔ)器及集成電路通訊中。傳統(tǒng)的模擬延遲鎖相環(huán)，具有更好的防抖動(dòng)和偏移特性，但是受工藝、溫度等因素影響嚴(yán)重；傳統(tǒng)的數(shù)字延遲鎖相環(huán)，具有更快的鎖定時(shí)間，更好地抑制工藝、溫度因素的影響，但是更差的防抖動(dòng)和偏移特性。提出了一種新型的模數(shù)混合結(jié)構(gòu)的延遲鎖相環(huán)，能夠有效地改善上述問(wèn)題，作為IC模塊嵌入在C8051F500系列微處理器系統(tǒng)中。

2 結(jié)構(gòu)及原理

圖1給出模數(shù)混合結(jié)構(gòu)延遲鎖相環(huán)的框圖，主要由鑒相器、控制器、壓控延遲線和延遲單元四部分組成。鑒相器單元捕捉輸入時(shí)鐘和輸出時(shí)鐘相位差，通過(guò)控制器轉(zhuǎn)換為N位粗調(diào)控制信號(hào)和M位精調(diào)控制信號(hào)，依次調(diào)節(jié)壓控延遲線中電荷泵結(jié)構(gòu)的充放電電流路數(shù)，從而達(dá)到延遲單元延遲時(shí)間的功能，最終保證輸出時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘相位差趨近于零，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

精調(diào)控制信號(hào)產(chǎn)生的延長(zhǎng)時(shí)間是對(duì)粗調(diào)控制信號(hào)產(chǎn)生的1LSB延遲時(shí)間（td）的插值，精調(diào)最小延遲分辨率可以表示為：

當(dāng)延遲鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，總延遲時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期，延遲鎖相環(huán)能夠處理的時(shí)鐘頻率范圍為：

式中，Tclk是輸入時(shí)鐘周期；Tlc是當(dāng)所有控制信號(hào)都為低時(shí)延遲鎖相環(huán)固有的延遲時(shí)間；設(shè)定的輸入時(shí)鐘范圍越大，容納外界干擾鎖定的能力越強(qiáng)。由式（1）和式（2）可知，可以增大N或td來(lái)擴(kuò)展輸入時(shí)鐘頻率范圍，但增大N意味著增大電路硬件的復(fù)雜度，增大td意味著降低時(shí)序的分辨率，因此，輸入時(shí)鐘頻率范圍的設(shè)計(jì)是這兩個(gè)因素的折中考慮。

圖1 混合結(jié)構(gòu)延遲鎖相環(huán)功能框圖

3 主要單元模塊設(shè)計(jì)

3.1 延遲單元

如圖2所示，延遲單元通過(guò)壓控延遲線調(diào)節(jié)環(huán)路濾波電容的充電電流（Imirr）的鏡像值，設(shè)定充電電壓的上升時(shí)間，依次調(diào)節(jié)延遲單元的延遲時(shí)間。

圖2 延遲單元功能框圖

3.2 壓控延遲線單元

如圖3所示，壓控延遲線單元的主要功能是利用2N個(gè)粗調(diào)控制位和2M個(gè)精調(diào)控制位調(diào)節(jié)鏡像電流（Imirr）與偏置電流（Ibias）的比例關(guān)系，控制延遲單元的延遲時(shí)間。精調(diào)電流與粗調(diào)電流的權(quán)重關(guān)系由電流鏡加權(quán)實(shí)現(xiàn)。

圖3 壓控延遲線單元功能圖

4 仿真結(jié)果

本電路基于TSMC的0.25μm，1P5M，CMOS混合信號(hào)工藝進(jìn)行加工制備，版圖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

利用CALIBRE工具對(duì)版圖數(shù)據(jù)抽取進(jìn)行仿真，得到圖5所示的波形。由圖可知，對(duì)于25MHz的輸入時(shí)鐘信號(hào)，電路經(jīng)過(guò)192個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入鎖定狀態(tài)，捕獲時(shí)間7.6μs。仿真結(jié)果證明了該混合結(jié)構(gòu)延遲鎖相環(huán)性能的優(yōu)良性。

圖4 延遲鎖相環(huán)版圖結(jié)構(gòu)

圖5 TT，25℃下25MHz輸入頻率鎖定波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種數(shù)?；旌辖Y(jié)構(gòu)的延遲鎖相環(huán)電路，它能夠有效地改善傳統(tǒng)的數(shù)字DLL和模擬DLL各自的不足之處，可以作為單片電路或單元模塊應(yīng)用到微處理器等數(shù)字系統(tǒng)通訊領(lǐng)域。

［1］ YMoon，et al.An all-analog multiphase delay-locked loop using a replica delay line for wide-range operation and low-jitter performance［J］.IEEE J.Solid-State Circuit，2000，35（3）：377-384.

［2］ Y Okajima，M Taguchi.Digital delay locked loop an design technique for high-speed synchronous interface［J］.IEICE Trans.Electron，1996，E79-C（6）：798-807.

［3］ HH Chang，S J Liu.A wide-range and fast-locking all-digital cycle-controled DLL［J］.IEEE J.Solid-State Circuit，2005，40（3）：661-670.

Design of A Kind of Hybrid－structure Delay Locked Loop

TANG Ning1，ZHANG Lian-lian2，ZHANG Ke1
（1.The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China 2.Physics Department，Collage of Sciences，Northeast University，Shenyang 110004，China）

With the development of digital communication system，the advent of several structures of delay locked loop can satisfy the demand of specs in different applications.An analog-digital hybridstructural delay locked loop，as an IC-modular utilized in a large scale digital system，which improved the drawbacks of traditional analog DLL and digital DLL，is described in this paper.TSMC 0.25μm，1P5M，CMOSmixed-signal process are used in the circuitwith themodular area of 140×190μm2.

Delay locked loop（DLL）；Hybrid-structure；IC-modular

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.02.004

TP492

A

1002-2279（2014）02-0011-02

唐寧（1981-），男，遼寧鞍山人，工程師，主研方向：混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)研究。

2013-03-15