用FPGA实现高频时钟的分频和多路输出

FPGA(现场可编程逻辑门阵列)内部集成了四个全数字片内延时锁定环电路(Delay—Locked Loop，编写为DLL)，利用它能够实现对芯片输入时钟的零延时输出和时钟倍频，分频以及镜像操作等多种控制功能。本就是用DLL的功能来实现对64MHz的高频时钟的分频和多路输出。     

抗谐波锁定的延时锁相环

为了解决传统延时锁相环(DLL)结构在宽频率锁定范围中的无法锁定和谐波锁定问题,在传统DLL结构中加入启动控制电路,使DLL在上电阶段把环路滤波电容上的电压充电至电源电压,从而使压控延时线的初始延时在上电后达到最小,并且小于输入参考信号的1个周期.设计了带开关控制的鉴相器,将DLL的锁定过程分为粗调和微调两个阶段,压控延时线的延时在粗调阶段只能逐渐增大,在微调阶段微调,直到延时为输入参考信号的1个周期,从而克服了无法锁定以及谐波锁定的问题,而且减小了DLL的锁定时间.采用GSMC 0.13μm1P7MCMOS工艺设计、1.2 V的电源电压进行仿真,结果表明该DLL工作频率范围为300～500MHz,功耗小于3mW.     

一种快速锁定数控锁相环

提出了一种快速锁定数控锁相环结构.该锁相环具有频率捕获模式和相位捕获模式2种工作模式.在频率捕获模式,通过提出的一种新的算法,可以迅速缩小参考时钟和反馈时钟之间的频率差.在相位捕获模式,数控锁相环能够达到更精确的相位锁定.为了验证提出的数控锁相环结构和算法,该数控锁相环电路采用SMIC0.18μm logic1P6M CMOS工艺实现,面积为0.2mm2,频率范围为48~416MHz.实测结果表明,数控锁相环只需要2个参考时钟周期就锁定在376MHz.数控锁相环锁定后功耗为11.394mW,峰峰值抖动为92ps,周期抖动为14.49ps.     

一种应用于时间交织模数转换器的低抖动延迟锁定环

设计了一种适用于时间交织模数转换器的低抖动延迟锁定环,实现了12相时钟输出和6倍频输出功能.论文提出了一种基于信号通路切换的鉴频鉴相器,有效减小了工艺、电压、温度等对延迟锁定环性能的影响,优化了环路的抖动性能.延迟锁定环采用65 nm CMOS工艺设计,芯片面积90μm×110μm,版图仿真验证其工作频率范围40~110 MHz,电路整体功耗1.6 mW,锁定时间小于1.2μs,均方根抖动为8.1 ps,可满足模数转换器对时钟的要求.论文所采用的切换型鉴频鉴相器,相比于传统的鉴频鉴相器,其输出时钟的均方根抖动减小了19.3 ps.     

片上谐振时钟阵列耦合特性分析

提出了一种基于层次化无缓冲谐振时钟网络的耦合时钟阵列结构,能够有效分布全局时钟,并实现局部时钟网络的频率及相位锁定.基于耦合振荡器理论,详细分析了耦合网络的电压幅值、频率锁定及耦合网络带宽特性,并通过SPICE模拟,对影响谐振时钟阵列耦合特性的关键因素进行了研究,包括时钟负载差异、能量补偿单元、以及耦合网络等.模拟结果表明,谐振时钟阵列具有较宽的频率锁定范围,在耦合特性发生变化的情况下,全局时钟偏斜最大为21 ps,小于时钟周期的2%.     

YHFT-DSP外部同步存储器接口时序设计优化

针对YHFT-DSP外部同步存储器接口的时序问题,本文综合考虑工程实际、设计开销和实现自动化等因素,给出了封装延时差、单元延时和IO单元虚延时三种优化方法.芯片测试结果表明:基于时钟提前的IO单元虚延时方法能够高效地实现133 MHz时钟频率的外部同步存储器接口访问.     

超声相控阵系统中高精度相控发射的实现

相控阵超声发射波束形成中的关键环节是对各阵元的发射相位延时进行精确控制。提出了一种新颖的高精度相控发射电路,它采用波形激励方式,通过D/A转换器将任意复杂的数字波形转换成模拟信号,经放大驱动后激励各阵元发射超声。以波形激励为基础,采用D/A输出时钟和直接数字频率合成(directdigitalsynthesis,DDS)技术相结合的方法实现了高精度的发射相控延时。基于D/A输出时钟的相控发射粗延时分辨率为15ns。基于DDS的相控发射细延时可达到1.41°的相位分辨率,对应3.096MHz发射信号下1.25ns的相位延时。实验表明,该相控发射电路能够达到很高的相控发射精度。     

一种新型结构的高速时钟数据恢复电路

针对高速(Gb/s)串行数据通信应用,提出了一种混合结构的高速时钟数据恢复电路.该电路结构结合鉴频器和半速率二进制鉴相器,实现了频率锁定环路和相位恢复环路的同时工作.电路采用1.8 V,0.18μmCMOS工艺流片验证,面积约0.5 mm2,测试结果显示在2 Gb/s伪随机数序列输入情况下,电路能正确恢复出时钟和数据,核心功耗约为53.6 mW,输出驱动电路功耗约64.5 mW,恢复出的时钟抖动峰峰值为45 ps,均方根抖动为9.636 ps.     

带DLL反馈的延迟内插法TDC在FPGA上的实现

本文设计了在FPGA上实现的一款带全数字的延时锁定环(DLL)反馈的TDC电路,该TDC采用了延迟内插法延迟链结构.解决了利用FPGA配置电路对FPGA内部开关参数进行高低温(-55~125℃)测试的问题.延迟链选择的是FPGA中快速进位链,在0.18μm工艺FPGA上,分辨率在25℃下能达到167ps.与另外一种在反熔丝结构FPGA上实现的TDC相比,分辨率在0℃,25℃,50℃分别提高了16.8%,16.5%,16.7%.在相同温度下,分辨率的变化基本保持一致,但反熔丝FPGA上的TDC需要对编码链进行反复的调整,而本文的TDC通过DLL锁定就可以完成对延迟链的调整,大大减小了开发和设计的时间和成本.     

高速低压模拟相位内插器的设计

设计了一种应用于高速时钟数据恢复电路的低压模拟相位内插器.时钟输入管和电流产生管采用隔离设计,降低了输入时钟电平变化对尾电流的影响;在输入端和输出端增加了整形电路,可有效提高相位内插器在低电压和高频工作环境下的线性度.基于TSMC 90 nm CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,该相位内插器在1.2 V工作电压和最大90°相位差的输入时钟下,工作频率达到1.25 GHz,相位内插精度小于±10 ps,具有良好的线性度.     

利用FPGA PLL实现电火花加工放电状态检测系统时钟提高的方法研究

本文设计在原有设计输入时钟的基础之上,充分利用EP1C3T144C8FPGA芯片的锁相环PLL提高了微细电火花加工系统状态检测模块中各个脉冲状态计数器的输入时钟频率,使得FPGA系统能够有效利用放电击穿延时法进行间隙放电状态判断,为加工系统电极控制部分提供了可靠的保证。     

应用于全数字锁相环中的精度可调的时间数字转换器

本文提出了一种应用于全数字锁相环中的分辨率可调的两级时间数字转换器.第一级采用缓冲器延时链结构,运用可异步重置的触发器作为采样单元;第二级采用Vernier延时链结构以提高时间分辨率.和传统的单级结构相比,两级架构可以在更低的电路面积下实现相同的测量范围,并提供更好的分辨率.为了降低工艺、电压、温度对分辨率的影响,本设计采用了电压控制的延时单元,通过调整其延时来降低分辨率的变化.本设计通过65nm工艺验证,总体面积0.06 mm2.仿真结果表明,在输入频率为1.2～1.8 GHz时,分辨率可达6.15 ps,动态范围1 260 ps,实现8 bits时间数字转换器,功耗仅2.5 mW.     

全集成射频发射芯片地址编码器设计

介绍了一种自主研发的全集成315 MHz/433 MHz射频发射芯片中编码器的设计.利用分频器产生二选一数据选择器的选通信号,通过逐级筛选,将并行地址数据转变为串行数据.采用Verilog HDL语言进行设计,使用Modelsim进行仿真验证,基于和舰0.18μm CMOS工艺布局布线.样片测试结果表明,编码器基础时钟频率为250kHz时可以很好地满足设计指标和功能要求.     

一种全数字延时触发器设计

传统的单稳延时电路需外接RC支路,故精度不高,稳定性差,预置不直观。与之相比,全数字化设计的触发器采用时钟计数与预设值较容易实现延时,准确性、稳定性大大提高。延时范围与时钟频率有关,亦随计数器位数增加而增加,最高分辨率由器件响应速度确定,定时精度与时钟步长有关。由于采用数字比较方法,可实现不同量程（μs~数10s）切换。该设计可用于要求较高的实验场合。     

180°宽带移相器的研究

本文提出了一种利用负反馈对放大器实现180°宽带移相的方案.在对这种移相器特性进行了理论分析的基础上,进行了实验论证.结果表明,这种移相器方案不仅在70MHz是可行的,而且也可应用于140MHz或更高的频率范围.     

基于数字延时锁相环的FPGA IO延时管理电路

本文提出了一种基于过采样量化器和换挡(Gear-Shift)控制机制的新颖的数字延时锁相环(DDLL),可以嵌入于FPGA芯片IO单元的延时管理系统,实现了IO单元数据通路延时的精确校正,分辨率达到78ps,可调节范围达4ns,满足FPGA芯片对高速串行接口协议复杂时序的兼容.DDLL使用独具特色的过采样量化器,仅使用1bit时间数字转换器(TDC)达到了98dB SNR,等效理论分辨率达16位,并引入了全新的Gear-Shift控制机制,对误差信息合理的加权实现快速精确的锁入,结合2阶巴特沃斯衰减的数字环路滤波器,实现全数字环路控制,较传统模拟延时锁相环,节省了芯片面积和功耗,同时对数字电路所产生的衬底噪声具有更好耐受.DDLL采用65nm数字工艺,嵌入复旦大学自主研发的FPGA芯片,经过后仿验证,锁定时间小于50cycles.     

含有多路选择器路径的时钟树综合

本文介绍了时钟树综合的概念及指标,分析了电力网载波通信芯片的时钟结构,针对其含有多路选择器路径的时钟结构提出了时钟树综合的方案,极大的优化的了时钟树综合的结果,为后续的时序收敛打下了良好的基础。     

应用于FPGA芯片时钟管理的锁相环设计实现

设计了一种嵌入于FPGA芯片的锁相环,实现了四相位时钟、倍频、半整数可编程分频、可调节相位输出功能,满足对于FPGA芯片时钟管理的要求.锁相环采用了自偏置结构,拓展了锁相环的工作范围,缩短了锁定时间,其阻尼系数以及环路带宽和工作频率的比值都仅由电容的比值决定,有效地减小了工艺、电压、温度等对电路的影响.锁相环采用0.18μm CMOS数字工艺,嵌入复旦大学自主研发的FPGA芯片FDP-Ⅱ,经过流片验证,实现了工作频率范围10~600 MHz,整体电路功耗仅为29 mW,锁定时间小于4μs,峰峰值抖动小于±145 ps.     

0.18m CMOS中用于频率综合的时间数字转换器

该文提出一种应用于全数字锁相环高分辨率的时间数字转换器TDC。该TDC延时单元由两级特殊的反相器构成,其中第一个反相器只考虑上升沿,而第二个反相器只考虑下降沿,通过合理选择两级反相器的尺寸可使总延时小于传统延时单元的一半,从而提高了TDC的分辨率。针对这种只考虑单沿的延时单元,该文还提出了相应的TDC系统。实验结果表明,在0.18μm CMOS工艺下,该文提出TDC的分辨率能达到28 ps。     

延时锁定环的研制

本文论述了根据相关理论研制出的延时锁定环的工作原理,并将由相关函数推导出的跟踪环的相位误差函数用于控制压控振荡器,使本地码跟踪接收码。该环采用步进式捕获方式,在联机调试中工作稳定可靠,精确地测量了环路的误差曲线、捕获带宽、跟踪带宽和锁定时间。