利用可編程振蕩器增強FPGA應用

　　當今復雜的FPGA含有眾多用于實現(xiàn)各種電路與系統(tǒng)的功能塊，諸如邏輯陣列、存儲器、DSP 模塊、處理器、用于時序生成的鎖相環(huán) （PLL） 和延遲鎖定環(huán) （DLL）、標準I/O、高速數(shù)字收發(fā)器以及并行接口（PCI、DDR 等）。這些不同的功能塊通常由多個時鐘驅(qū)動，FPGA 一般會綜合采用外部振蕩器以及內(nèi)部PLL 與DLL來生成時鐘。系統(tǒng)設計人員必須決定如何綜合使用外部與內(nèi)部資源來實現(xiàn)最佳的時鐘樹設計。而可編程時鐘振蕩器用作FPGA 系統(tǒng)的時序參考，可提供一系列優(yōu)勢。其中首要優(yōu)勢是為了實現(xiàn)時鐘樹優(yōu)化而進行高分辨率頻率選擇時所帶來的設計靈活性。另一個巨大優(yōu)勢是具有可以減少電磁干擾 （EMI） 的擴頻調(diào)制功能。

　　內(nèi)在可編程的硅MEMS時鐘振蕩器架構(gòu)能夠幫助采用FPGA的系統(tǒng)設計人員解決許多難題。這種微型機電系統(tǒng)架構(gòu)能夠輕松整合一些其它功能，如：用于消減EMI 的擴頻時鐘、用于消除抖動的數(shù)控振蕩器以及高速應用中的失效保護功能。

　　頻率選擇

　　一般系統(tǒng)需要一系列時鐘頻率。其中一些是標準頻率，這種標準化可能是出于對行業(yè)規(guī)范強制要求的考慮（如：PCI Express要求的100MHz 頻率），也可能是由于得到了廣泛的應用（如：用于SATA 的75MHz 或用于PCITM 的33.333 MHz）。上述頻率與 I/O接口關(guān)聯(lián)在一起，以確保實現(xiàn)互操作性，因為接口兩側(cè)可能不屬于同一系統(tǒng)。與此相對，用戶可選擇用于驅(qū)動處理器、DSP和狀態(tài)機引擎的時鐘頻率，以優(yōu)化速度、功率或資源占用。

　　在進行速度優(yōu)化時， 應以最高時鐘頻率來驅(qū)動處理引擎，以使每秒運算次數(shù)達到最高。但是，時鐘周期抖動必須足夠低，以確保最小時鐘周期大于設計的臨界時序路徑，否則有可能出現(xiàn)邏輯錯誤。頻率選擇的常用方法是采用內(nèi)部FPGA PLL對來自標準外部參考振蕩器的高頻時鐘進行綜合。此方法只有在內(nèi)部 PLL 具有高頻分辨率和低抖動時才有效。

　　某些FPGA集成了內(nèi)部低噪聲分數(shù)PLL，可滿足所有這些要求。在這種情況下，可以采用簡單的外部振蕩器參考。不過，許多情況下FPGA會采用帶有環(huán)形VCO和整數(shù)反饋分頻器的PLL來綜合不同頻率。這種PLL小巧靈活，比較容易設計和控制，而且功耗極低。不過，使用此類內(nèi)部PLL時很難同時實現(xiàn)高分辨率與低抖動。

　　圖 1 為整數(shù) PLL 的一般架構(gòu)。對PLL 輸出頻率的編程需綜合采用預分頻器 （P）、反饋分頻器 （M） 和后分頻器 （N）來完成，如下式所示：

　　PLL反饋環(huán)路形成一個限帶控制系統(tǒng)。輸出周期抖動主要取決于參考時鐘相位噪聲 （PNIn ） 和內(nèi)部 VCO 相位噪聲（PNVCO），如下式所示：

　　輸入?yún)⒖紩r鐘相位噪聲和VCO相位噪聲與輸出相位噪聲息息相關(guān)，分別通過低通濾波器和高通濾波器響應來體現(xiàn)，如表達式中的Hin和HVCO。HVCO與Hin的截止頻率直接相關(guān)。圖 2 說明了典型二階PLL中Hin與HVCO的相互關(guān)系。最高PLL帶寬取決于相位檢測器的更新速率。大部分實際PLL 的最高實際帶寬極限如下式所示：

　　例如，如果PLL輸入頻率是40MHz并且P=40，則最高實際PLL帶寬是100kHz。