系统时钟概述

基于CMOS工艺的高性能处理器时钟系统，集成PLL可以从内部触发，比从外部触发更快且更准确，能有效地避免一些与信号完整性相关的问题。

时钟是嵌入式系统的脉搏,处理器内核在时钟驱动下完成指令执行,状态变换等动作.外设部件在时钟的驱动下完成各种工作,比如串口数据的发送、A/D转 换、定时器计数等等。因此时钟对于计算机系统是至关重要的，通常时钟系统出现问题也是致命的，比如振荡器不起振、振荡不稳、停振等。

下面介绍了一种基于CMOS工艺的高性能处理器时钟系统设计，设计频率为200MHz，VCO的相位噪声为-110dBC/Hz@100kHz。作者详细分析了锁相环路的结构及组成，并介绍了消除噪声的设计方法。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1：锁相环在时钟产生中应用。锁相环广泛应用于时钟系统设计中，其中包括相位同步以及时钟倍频等应用。通常，当芯片工作频率高于一定频率时，就需要消除由于芯片内时钟驱动所引起的片内时钟与片外时钟间的相位差，嵌入在芯片内部的PLL可以消除这种时钟延时。此外，很多芯片控制链逻辑需要占空比为50%的时钟，因此需要一个2倍于此的时钟源，集成在芯片内部的PLL可以将外部时钟合成为此时钟源。系统集成PLL可以从内部触发，比从外部触发更快且更准确，能有效地避免一些与信号完整性相关的问题。系统集成PLL的另一个显著特点是通过调节位于锁相环反馈回路中的时钟树缓冲区中的参数，锁相环能够产生相对于参考输入时钟频率不同倍率的内核时钟，这种调节能确保芯片和外部接口电路之间快速同步和有效的数据传输。在高性能处理器时钟系统设计中，通常需要锁相环产生片上时钟。本文以一种200MHz的时钟系统设计为实例介绍一种基于锁相环的时钟系统设计，其中输入参考频率是25MHz，相位噪声为-100dBc/Hz@100kHz,压控振荡器增益为380MHz/V,工作电压为5V。仿真和测试结果表明该设计能满足系统要求。

以锁相环为基础的时钟产生结构如图1所示：外部25MHz的参考时钟信号或总线时钟(BusCLK)先进入到一个接收缓冲器，在进入鉴频鉴相器(PFD)之前要经过一个分频器，分频系数为M1，得到图1中φi，然后与从分频器M6来的内部反馈信号Фo在PFD中比较，得到误差信号Фe，它将作为电荷泵以及滤波网络的输入，用以控制压控振荡器(VCO)。

VCO的输出先经过M3分频，再通过缓冲以后产生系统的主时钟PClk。同时，主时钟在进入分频器M6之前先通过H树形时钟分布网络，最后返回鉴相器，这样就形成了整个反馈回路。从平衡的角度来看， PFD的两个输入必须在频率和相位上保持一致，因此所得到的芯片内核时钟和输入的总线时钟的比值fpclk/fbus必须与M6/M1相等。通过改变M6以及M1的值，可以得到输入时钟频率的整数倍或者分数倍值。由于芯片要求时钟不能出现漂移，所以输出时钟占空比以及系统的相位调整能力必须对环境以及工艺参数变化不敏感。VCO的输出也可以切换到分频器M5上，得到的输出可作为二级高速缓存(L2)的时钟。同理，fvco=M3×fpclk =M5×fL2CLK，二级缓存的输出频率也可以通过调整M3以及M1来得到理想的值。

整个环路中包括鉴相器、滤波器、压控振荡器、分频器、共模抑制和锁定检测等模块，以下介绍主要模块的结构：1. 鉴相器VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图3：压控振荡器结构。数字鉴频鉴相器产生的输出信号能够表达频率及相位相对超前或者滞后信息，然后送到电荷泵。复位信号到达以后，θi的每一个上升沿都触发“UP”信号，直到θo的一个上升沿到达，这样就结束UP的置位状态转入系统复位状态。同样，如果θo上升沿先于θi到达， “DOWN”被置位，直到θi的一个上升沿到达，继而转入复位状态。除非两个输入相位以及频率非常接近，即进入所谓的“鉴相死区”，一般脉冲的宽度正比于两个输入之间的相差大小。