可实现快速锁定的FPGA片内延时锁相环设计

摘要：延时锁相环(DLL)是一种基于数字电路实现的时钟管理技术。DLL可用以消除时钟偏斜，对输入时钟进行分频、倍频、移相等操作。文中介绍了FPGA芯片内DLL的结构和设计方案，在其基础上提出可实现快速锁定的延时锁相环OSDLL设计。在SMIC 0．25μm工艺下，设计完成OSDLL测试芯片，其工作频率在20～200 MHz，锁定时间相比传统架构有大幅降低。
关键词：延时锁相环；FPGA；快速锁定

微电子技术的持续发展使得FPGA具有更高的系统集成度和工作频率。系统性能较大程度上决定于系统的时钟延迟和偏斜。由于FPGA具有丰富的可编程逻辑资源及时钟网络，随之而来的时钟延迟问题使得用户设计的性能大打折扣。FPGA中的DLL模块可提供零传播延时，消除时钟偏斜，从而进一步提高了FPGA的性能和设计的灵活性。
PLL是常用的时钟管理电路，主要是基于模拟电路设计实现的，而DLL主要是基于数字电路设计实现的。虽然在时钟综合能力上比PLL差，但由于具有设计仿真周期短，抗干扰性强，以及工艺可移植等特点，DLL非常适合在数字系统架构中使用，这也是FPGA采用DLL作为时钟管理的原因。文中将介绍传统FPGA片内延时锁相环设计，并在此基础上提出具有更快锁定速度的新延时锁相环架构OSDLL。

1 FPGA片内DLL结构及工作原理
1．1 DLL架构设计
图1为FPGA片内DLL结构框图。图1中FPGA片内用户设计的时序逻辑部分在布局布线后，位于芯片中部，相应的时钟走线较长。为缓解时钟缓冲、重负载时钟线的大电容、线路的传播延时等因素造成的时钟偏斜，可以选择使用DLL模块进行时钟优化管理。

图1中，DLL主要由鉴相器(PD)、可调延时链、数字控制逻辑以及时钟生成模块组成。CLKOUT为DLL输出时钟，即时钟生成模块的输出时钟；CLKS为经过时钟线后到达时序电路的偏斜时钟；CLKFB即为CIKS，反馈时钟CLKFB反馈回DLL。DLL的功能为通过在时域中调节CLKOUT的相位使得CLKFB与CLKIN同步，即消除时钟偏斜。