自参考的可调节分辨率片上时钟抖动测量系统设计

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随着当今数字电路工作频率的不断提高,时钟抖动已经成为了影响电路性能的关键因素之一。通过对时钟抖动进行有效测量,可以分析引起抖动的原因,进而制定相应的措施来改善电路的性能,抖动测量也因此成为电路设计者们越来越重视的问题。相比于片外测量,片上抖动测量技术以其低成本、高精度等特点而受到广泛关注。本课题基于片上系统(SoC)设计课题背景提出,主要研究SoC内部时钟的抖动测量。  本文研究实现了一种自参考结构的可调节分辨率的片上时钟抖动测量系统。该系统由单周期延时模块、游标延时链模块、编码器和输出缓存组成。该系统的性能指标基于SoC内部的时钟产生单元锁相环的性能参数制定。系统的测量分辨率可以灵活设置,实现测量分辨率和测量量程的折衷选择。  为消除外部参考时钟引入的误差,本文利用单周期延时模块实现了自参考抖动测量设计,改善了传统测量中由于参考时钟自身的抖动引起的测量准确性降低的问题。在游标延时链的设计上,本文利用数字可控延时单元实现了可变测量分辨率的设计,分辨率可以通过数字信号进行控制。为实现时钟抖动的连续周期测量,本文采用了一种基于寄存器阵列的流水线数据读出结构,其中寄存器采用真单相时钟D触发器实现,保证了高速时钟测量结果的可靠读出。  本文提出的片上时钟抖动测量系统采用0.13μm CMOS低漏电工艺设计,电源电压为1.5V,版图面积为2.4mm×1.8mm,芯核部分面积为1.5mm×0.9mm。后端仿真结果表明,系统可以测量的时钟频率范围为50MHz~800MHz,最高分辨率可达5.71ps,最大测量量程可达1.4ns。
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