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1、高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的信號完整性安琪中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子學(xué)實驗室2005年4月9日第3講：時鐘技術(shù)3-1一些基本概念和定義3-2時鐘的產(chǎn)生3-3時鐘的傳輸和分布中國科大快電子學(xué)安琪2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“節(jié)拍”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。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(qiáng)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

2、鐘抖動（ClockJitters）、時鐘偏差（ClockSkew），信號完整性（SignalIntegrity）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：?高質(zhì)量時鐘信號的產(chǎn)生。?時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。中國科大快電子學(xué)安琪33-1一些基本概念和定義3-1-1時鐘偏差（ClockSkew）時鐘偏差：時鐘信號的理想“沿變”和實際上的“沿變”之差。在實際系統(tǒng)中，造成時鐘信號的“沿變”與理想“沿變”存在著差別的一個主

3、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3-1-1時鐘偏差的定義中國科大快電子學(xué)安琪4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，都有可能引起時鐘信號的實際“沿變”與理想的“沿變”不同。因此可以將時鐘偏差分為兩類：內(nèi)部時鐘偏差（IntrinsicSkew）：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（ExtrinsicSkew）

4、：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（ExtrinsicSkew）。圖4-1-2時鐘信號的內(nèi)、外Skew源示意圖中國科大快電子學(xué)安琪5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)，稱為時鐘性能損失（PerformancePenalty），它的定義如下：時鐘性能損失=（4-1-1）其中，F(xiàn)為系統(tǒng)時鐘頻率，單位為赫茲（Hz）；D為時鐘偏差,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)。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

5、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鐘性能損失。中國科大快電子學(xué)安琪6圖4-1-3時鐘性能損失的示意圖圖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。中國科大快電子學(xué)安琪7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義：時鐘性能損失=（4-1-2）其中，T=1/F為系統(tǒng)時鐘的周期為秒（s）。對于前例，時鐘性能損失=D/T=5ns/(1/25MHz)=5ns

6、/40ns=0.125中國科大快電子學(xué)安琪84-1-2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(jī)制上考慮，可以被劃分為三種：1．占空比偏差（DutyCycleSkew）（4-1-3）時鐘信號上升沿的傳輸延遲時間TPLH與下降沿的傳輸延遲時間TPHL之間的差。TPLH和TPHL的差會導(dǎo)致時鐘脈沖的寬度失真。有時也稱其為脈沖偏差（PulseSkew）。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）的傳輸延遲特性，因此定義參數(shù)tPS來表征占空比偏差的大小

7、：圖4-1-4時鐘信號的占空比偏差tPLHtPHL理想時鐘實際時鐘中國科大快電子學(xué)安琪9時鐘信號的脈寬之差由圖4-1-4可看出：時鐘信號沿的傳輸延遲時間TPLH與TPHL之間的之差就等于時鐘信號正負(fù)脈沖的寬度之差。因此tPS也可以用時鐘信號的脈寬之差來表示：（4-1-4）時鐘信號的占空比可以用百分比的形式表示，如45%:55%，經(jīng)常將%忽略，直接表示為：45:55。當(dāng)tPS存在時，時鐘信號的頻率越高，對tPS大小的要求就越高。如：對于一個頻率為25MHz的系統(tǒng)時鐘，若要求其占空比為45：55%時，則tPS不能超過4ns。這

8、時要求：TPLH?18ns，同時有TPHL?22ns；或者TPHL?18ns，同時有TPLH?22ns。而對于一個50MHz的系統(tǒng)時鐘，則tPS不能超過2ns，即要求：TPLH?9ns，同時有TPHL?11ns；或者TPHL?9ns，同時有TPLH?11ns。圖4-1-5時鐘信號的脈沖偏差tHIGHtL