DFF时序问题

项目中涉及到DFF构建正交二分频的问题。开始采用TSPC结构,原因在于老板坚持原来GPS收发电路中采用了TSPC进行二分频,并得到测试验证,性能可靠。问题是GPS频点固定,且频率较低。而BLE采用5GHz分频,存在一定风险。且正交二分频采用数字实现,依靠反相器实现差分时钟,其相位误差不如CML。不过既然要求,所以尝试一下。

采用的TSPC结构如Razavi RF CMOS第二版chapter10 section 6 (P697)所示TSPC结构。参数取PMOS=NMOS 1.2u/40n,时钟采用CMOS互补结构消除电荷注入影响。考虑版图因素,仿真采用RF管(RF管中提取了寄生参数,但其版图是PCELL单元统一画了保护环,反而不利于电路最优化。可以考虑RF管仿真通过后改成普通MOS再进行仿真,前仿性能一般会有所提升。)短沟道P管与N管驱动能力接近,所以调整尺寸并无太大必要。

仿真结果现实,DFF触发器功能正确,但级联以后就形成了四分频。原因何在?

仔细推导该原理图,发现不考虑DFF内部延迟的情况下,电路可以实现功能,但由于电路每一级都引入了10~20ps不等的延时,导致两个DFF的延迟接近100ps,为时钟周期的一半,所以出现了采样点的判决错误。

T_0+\Delta:D_2=\bar{Q_1}=\bar{D_1}

T_0+\Delta+\frac{T}{2}+\Delta:Q_2=D_2=\bar{Q_1}=\bar{D_1}|_@t=T_0 =D_1

理想情况下,该电路中延迟\Delta为0。D_1端每个上升沿翻转一次,实现二分频。但实际上,延迟\Delta会造成D_1的建立过程没有跟上时钟的变化,从而导致时序错误。根据上面的推导,延迟必须满足每个时钟周期内的总延时之和不超过时钟周期的一半。

悲摧的是,测量trans仿真以后发现,TSPC的延迟为70多ps,而反相器的延迟为20ps,而时钟为200ps,所以一开始采用两级反相器整形出来的信号最终产生了四分频。即使去掉一级反相器以后,依然无法满足延时要求,电路在二分频和三分频之间跳来跳去,无法正确工作。

PS:图片后面抽空补上。

 

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