基于脉宽收缩和累积寄存器的片上时钟抖动测试电路.PDFVIP

中国科学: 信息科学 2014 年 第44 卷 第10 期: 1216–1225 测试技术专刊 论文 基于脉宽收缩和累积寄存器的片上时钟抖动测试 电路 冯为蕾 冯建华 叶红飞 张兴 北京大学深圳研究生院, 深圳 518055 北京大学微电子学研究院, 北京 100871 * 通信作者. E-mail: fengjh@pku.edu.cn 收稿日期: 2014–05–20; 接受日期: 2014–08–14 国家自然科学基金(批准号: 资助项目 摘要 本文提出一种基于脉宽收缩和累积寄存器的片上时钟抖动测试电路, 用于监测片上时钟信号 的抖动, 测量精度可达到亚门级. 该测试电路是由脉宽收缩环路、累积寄存器、异或阵列、计数器和 控制电路组成的. 以环形方式连接脉宽收缩单元, 可减小由于工艺波动带来的影响, 节省面积开销. 在监测模式下, 累积寄存器同时记录多个时钟周期脉宽的测量结果, 并以数字序列码的形式输出, 能 够直观地显示时钟的抖动. 该电路是采用65 nm CMOS 工艺设计的, 仿真结果表明该电路可测量数 GHz 的时钟信号, 测量精度为1 ps. 关键词 脉宽收缩 时钟抖动 片上测量 抖动测试 累积寄存器 引言 近年来 随着集成电路的发展 器件的工作速度变得越来越快 目前 芯片的时钟频率一般可达 [1] 到数 高速串行口的数据传输速率 甚至达到了 速度的提高能够极大地改善电路性 能 但同时信号抖动产生的影响也会变得越来越严重 在时序电路中 时钟抖动可能会使信号的建立 和保持时间达不到要求 导致电路出现错误 在高速串行 中 时钟抖动会增加数据传输的误码率 [23] 等 因此 抖动已成为高速电路设计中面临的关键问题之一 其测量也是至关重要的 目前测量时钟抖动的主流方法是片上测量法 该方法具有测量精度高 测量成本低和测量范围广 等的优点 是近年来研究的热点 其中基于延迟链的测量方法 [45] 是最先提出的片上抖动测量法 该 法原理简单 可进行实时测量 但最大的缺点是测量精度只能达到门延时量级 而且面积开销比较大 工艺波动也会导致延迟单元不匹配 游标卡尺延迟链测量方法 [68] 是从电路设计方面提高精度的 能 够达到亚门级测量精度 该法同样可以进行实时测量 但延时链路依然增加了面积开销 也无法降低工 艺波动对延迟单元造成的影响 而且测量所需的参考信号本身也会引入误差 游标卡尺振荡环测量方 法 [910] 能够同时解决面积开销和不同单元工艺波动的问题 测量精度也是亚门级的 但无法进行实时 测量 且参考信号本身的抖动也会增加测量误差 相位内插测量方法 [11] 的测量精度会受到寄生电容 的影响 而且不能进行实时测量 其面积开销也比较大 时间放大测量方法 [1213] 虽然可以实时测量 引用格式 冯为蕾, 冯建华, 叶红飞, 等. 基于脉宽收缩和累积寄存器的片上时钟抖动测试电路. 中国科学: 信息科学, 2014, 44: 1216–1225, doi: 10.1360/N112014-00147 中国科学: 信息科学 第 44 卷 第 10 期 但是测量精度受电容影响非常大 而且采用电容同样会增大面积开销 脉宽收缩测量方法 [1417] 也能 达到亚门级测量精度 该方法最大的特点是不需要参考信号就能完成测量 因此不会增加测量误差 而 且能够节省面积开销 减小工艺波动带来的影响 综合分析上述时钟抖动测量方法可知 使用脉宽收缩法测量抖动会在测量精度 测量误差和面积 开销等方面有较大的优势 但传统的脉宽收缩法得到的测量结果仅仅是单个周期时钟的脉宽测量结果