技术 | 延迟锁相环(DLL):提升时钟一致性的关键技术

来源: 智芯SEMI 作者:智芯SEMI 2025-09-02 16:08:16

在高速数字与混合信号系统中,时钟信号的相位一致性是保障数据正确传输和系统稳定运行的关键。由于工艺(P)、电压(V)、温度(T)等因素的影响,不同路径的时钟信号会产生相位偏差(Skew),从而引发采样错误、吞吐率下降甚至功能失效。

  

延迟锁相环(Delay Locked Loop,DLL)是一种常用的时钟相位调整电路,它通过可控延迟线精确补偿延时,实现参考时钟与输出时钟的相位对齐。在高精度设计中,DLL 还会引入异步校准机制,用于降低延迟单元的微分线性误差(DNL),进一步提升在不同温度、电压条件下的性能稳定性。

基本概念

DLL 是一种闭环控制系统,其核心思想是将参考时钟信号输入到可控延迟线(Delay Line),通过相位检测器(Phase Detector)比较延迟时钟与参考时钟的相位差,由控制电路调整延迟量,使相位误差趋近于零。

  

与传统锁相环(PLL)相比,DLL 不依赖压控振荡器(VCO)产生新频率,而是基于现有时钟做相位调节,抖动(Jitter)更低,锁定速度更快,结构相对简洁,易于生成多相位输出。增加异步校准可显著降低延迟非线性,提升工艺(P)、电压(V)、温度(T)稳定性。

系统组成

典型的 DLL 包含以下模块:

  • 相位检测(PhaseDetector):检测参考时钟与延迟时钟之间的相位差,输出误差信号。
  • 多级延迟线(Delay Lines):多个可调延迟单元组成,数字码或模拟电压精细控制延迟量。
  • 锁相状态机(LockphaseFSM):将 PD 的相位误差信号转换为延迟线的控制量,形成负反馈闭环。
  • 采样阵列(Sample Array):独立于参考时钟运行,使用异步采样所有延迟时钟,输出统计结果。
  • 校准状态机(Calibrate FSM):统计结果与理想结果比较后逐个调整延迟线延时,以降低延迟微分线性误差。

工作原理

  • 锁相过程:(闭环负反馈)
  • 初始设定:延迟线加载初始延迟值;
  • 相位检测:通过TDC方式检测参考时钟与反馈时钟的相位差;
  • 延迟调整:控制状态机根据PD值增减延迟;
  • 闭环收敛:多次迭代后相位差趋近于零。

锁相判定方程:

运行模式:锁相功能形成负反馈回路,在工艺与环境变化时持续维持相位同步。

失锁
锁相

校准过程(开环测量)

采样阶段:利用异步采样时钟,对延迟线各级的延迟量均采样;

修正阶段:采用蒙特卡洛法统计采样结果的非线性度(在足够的随机样本中,如果每级延时都均等,则延迟时钟随机采样的命中数应相同),根据采样结果调整数字补偿;

 

校准判定方程:

运行模式:可在上电时进行一次性初始化,也可周期性运行以补偿温漂和压漂。该过程并不直接参与实时闭环反馈,而是作为补偿机制,与锁相过程并行作用于延迟线。

校准前
校准后

应用场景

DDR SDRAM的读写相位对齐

高速SerDes接口的采样时序调整

芯片内部时钟分配延迟补偿

高精度ADC/DAC的采样定时优化等

  
技术产品意义

延迟锁相环以延迟线为核心,通过闭环负反馈实现时钟相位对齐,并可结合异步校准模块对延迟单元进行独立修正。该架构在高速、高精度、宽温宽压环境下表现优异,是现代高速数字电路中重要的时钟管理技术之一。

  
客户应用意义

目前该技术已经运用于高精度HRPWM上,可以对输出的PWM波进行皮秒级的精确相移。

在车载充电器(OBC)、DC/DC转换器等电路中,高精度PWM(HRPWM)用于调节开关频率和占空比,实现高效能量转换和电压调节。

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