?? 光互連、射頻互連均分為兩種情形，基于導(dǎo)波的時鐘分配技術(shù)以及基于無線互連的時鐘分配技術(shù)。光時鐘分配技術(shù)的主要優(yōu)點是時鐘偏差極小、抖動小、開關(guān)功率小，且電磁干擾可以忽略，但其成本昂貴、體積笨重及封裝復(fù)雜等缺點大大限制了它的應(yīng)用。對于基于導(dǎo)波的射頻時鐘分配技術(shù)，其時鐘分配網(wǎng)絡(luò)H樹的互連線由微帶線構(gòu)成，可以減少時鐘相位偏差，降低時鐘分配網(wǎng)絡(luò)的功率消耗。然而由于無線射頻時鐘分配技術(shù)取消了時鐘分配網(wǎng)絡(luò)，因此大大減少了時鐘相位偏差，降低了功率消耗。

?? 射頻時鐘分配技術(shù)既克服了傳統(tǒng)數(shù)字時鐘分配技術(shù)的限制，又解決了光時鐘分配技術(shù)在經(jīng)濟性、小型化等方面的難題，非常適合高頻時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號的分配。本文介紹了基于導(dǎo)波的射頻時鐘分配技術(shù)和無線射頻時鐘分配技術(shù)。

傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘分配

?? 傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘分配技術(shù)中，時鐘分配網(wǎng)絡(luò)H樹的互連線由金屬線構(gòu)成，圖1為一個具有32輸出端的H樹示意圖。

???????????????????????????????????????????? 圖1 H時鐘分配網(wǎng)絡(luò)
?? H樹的一個顯著優(yōu)點是時鐘驅(qū)動器與分枝末端任一個時鐘分配點的距離相等，但是實際設(shè)計H樹時還需要考慮諸如驅(qū)動能力、時鐘相位偏差、終端匹配及回轉(zhuǎn)率等問題，并做出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。復(fù)雜的高頻數(shù)字系統(tǒng)一般都采用專用的時鐘分配芯片來實現(xiàn)時鐘分配，如Analog Device公司的AD951X時鐘分配器、Lattice公司的ispClock5300S時鐘分配器，本質(zhì)上都屬于有線連接。

?? 在傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘分配技術(shù)中，時鐘分配線在驅(qū)動時鐘分配網(wǎng)絡(luò)時需消耗較大的功率。對于1GHz頻率的時鐘信號，具有1024個輸出端的時鐘分配網(wǎng)絡(luò)，時鐘發(fā)送機到所有時鐘接收機的路徑總長度為45米，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動功率約為30瓦。另外，互連線表現(xiàn)出的畸變特性將導(dǎo)致時鐘信號脈沖產(chǎn)生波形變化，較差的信號完整性使得脈沖信號失真從而產(chǎn)生定時錯誤，引起系統(tǒng)錯誤工作，甚至有可能出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象。

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基于導(dǎo)波的射頻時鐘分配

?? 隨著時鐘信號頻率的提高，時鐘分配系統(tǒng)中的功率消耗、時鐘相位偏差及定時抖動問題越來越嚴(yán)重，這些都將成為決定高性能數(shù)字系統(tǒng)，尤其是多處理器數(shù)字系統(tǒng)處理速度的主要因素。高頻時鐘信號的分配采用射頻技術(shù)，不僅可以減少網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動功率，而且可以解決時鐘相位偏差、延遲等問題，從而保證信號完整性，提高數(shù)字系統(tǒng)的性能和處理速度。

?? 基于導(dǎo)波的射頻時鐘分配技術(shù)中，射頻時鐘分配網(wǎng)絡(luò)H樹的互連線使用微帶線或嵌入式帶線，高頻時鐘信號以導(dǎo)行波形式在波導(dǎo)中傳送。無論是芯片級射頻時鐘分配還是板級或是系統(tǒng)級射頻時鐘分配，射頻時鐘分配系統(tǒng)均由射頻時鐘發(fā)射機、射頻時鐘網(wǎng)絡(luò)以及射頻時鐘接收機三部分組成，下面以板級射頻時鐘分配系統(tǒng)為例加以說明，參見圖2。

圖2 極板射頻時鐘分配
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?? 射頻時鐘發(fā)射機可以采用射頻振蕩器或壓控振蕩器產(chǎn)生射頻時鐘信號，也可以采用具有數(shù)字/射頻轉(zhuǎn)換功能的射頻濾波器作為板上時鐘發(fā)生器，還可以采用具有光/射頻轉(zhuǎn)換功能的光電監(jiān)測器作為板上時鐘發(fā)生器；射頻時鐘網(wǎng)絡(luò)H樹的互連線采用微帶結(jié)構(gòu)或嵌入式帶線結(jié)構(gòu)傳輸線，H樹的連接耦合器采用平面功率分配器—Wilkinson功率分配器/耦合器，輸入射頻時鐘信號分為兩路功率和相位都相等的輸出射頻時鐘信號；射頻時鐘接收芯片含有射頻放大器和驅(qū)動器，而且射頻放大器內(nèi)部集成有射頻/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字時鐘信號可以作為芯片內(nèi)鎖相環(huán)驅(qū)動電路的輸入信號，也可以作為芯片內(nèi)時鐘驅(qū)動器的輸入信號。

?? 韓國高級科技研究院學(xué)者Ryu提出低功率、高性能數(shù)字系統(tǒng)的板級射頻時鐘分配方法^[2]，并用惠普公司的仿真軟件HP Advanced Design System進行了仿真。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘分配技術(shù)相比，射頻時鐘分配技術(shù)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動功率低、傳輸線損失小且射頻/數(shù)字轉(zhuǎn)換效率高，適用于時鐘頻率在0.2GHz～10GHz、互連長度在10cm～3m范圍的板級或系統(tǒng)級高頻時鐘信號的分配。

無線射頻時鐘分配

?? 集成電路技術(shù)的發(fā)展，逐步提高了微處理器的工作頻率以及數(shù)字系統(tǒng)的性能，對于GHz頻率以上高頻時鐘信號的分配，傳統(tǒng)時鐘分配技術(shù)的時鐘相位偏差、抖動問題越來越突出，嚴(yán)重影響著數(shù)字處理器乃至數(shù)字系統(tǒng)的工作速度。國際上許多學(xué)者提出了無線射頻時鐘分配技術(shù)，其功率損耗小、信號完整性好，非常適合GHz以上時鐘信號的分配。

?? 無線射頻時鐘分配技術(shù)中，高頻時鐘信號是通過集成天線在一個芯片內(nèi)或在多個芯片間通信。射頻時鐘信號由集成電路芯片產(chǎn)生時，時鐘分配屬于芯片級射頻時鐘分配，反之屬于板級/系統(tǒng)級射頻時鐘分配。

芯片級射頻時鐘分配

?? 芯片級射頻時鐘分配系統(tǒng)通過發(fā)送、接收天線間的微波信號傳送高頻時鐘信號。為了提高系統(tǒng)的抗噪聲能力，同時降低所需的天線尺寸，通常先在發(fā)端產(chǎn)生較高頻率的時鐘信號，然后在收端分頻成所需要的時鐘信號。

系統(tǒng)組成

?? 芯片級無線射頻時鐘分配系統(tǒng)如圖3所示，其中TX表示時鐘發(fā)射機，RX表示時鐘接收機。集成電路芯片首先產(chǎn)生比局部時鐘信號頻率更高的全局時鐘信號，然后通過發(fā)射天線發(fā)射；芯片上的時鐘接收機利用天線檢測發(fā)送全局時鐘信號，再分頻成局部時鐘信號后送給鄰近電路。

圖3 芯片級射頻時鐘分配
?? 射頻時鐘發(fā)射機由三部分組成，如圖4(a)所示。對于需提供2GHz頻率時鐘信號的芯片，壓控振蕩器先產(chǎn)生一個頻率為12GHz的全局時鐘信號，經(jīng)兩級輸出放大后送發(fā)射天線。為了提供穩(wěn)定的時鐘頻率，并且降低時鐘信號的抖動，用鎖相技術(shù)將壓控振蕩器鎖定到一個外部參考頻率，同時要求壓控振蕩器具有較低的相位噪聲。

??? 射頻時鐘接收機由四部分組成，如圖4(b)所示。接收天線接收到的全局時鐘信號首先經(jīng)過低噪聲放大器放大，然后通過分頻器分頻成2GHz頻率的局部時鐘信號，最后經(jīng)過緩沖器緩沖后分配到鄰近電路。為了減少干擾和噪聲，要求低噪聲放大器工作在全局時鐘信號頻率；為了減少輸入端的平衡/非平衡轉(zhuǎn)換，接收機采用抑制共模噪聲（襯底噪聲）的全差分結(jié)構(gòu)。

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圖4 射頻時鐘發(fā)射機、接收機框圖

片上天線

? ?集成天線是無線射頻時鐘分配系統(tǒng)的重要組成部分，其增益是決定無線互連技術(shù)可行性的關(guān)鍵因素。集成電路芯片上發(fā)送天線、接收天線均受芯片尺寸的限制，為了減少天線尺寸、提高輻射效率，片上天線通常工作在較高的頻率范圍。美國、加拿大、中國臺灣地區(qū)以及新加坡學(xué)者先后設(shè)計了射頻時鐘分配系統(tǒng)的片上天線，可分別應(yīng)用于不同工作頻率、不同互連長度情形下射頻時鐘信號的分配^[3]。

?? 目前，片上天線多采用直線形、鋸齒形和矩形結(jié)構(gòu)，圖5(a)、(b)、(c)分別為直線形、鋸齒形、矩形雙極天線結(jié)構(gòu)示意圖。

?? 天線的襯底結(jié)構(gòu)、金屬厚度以及封裝技術(shù)都將會影響其傳輸增益。對于襯底結(jié)構(gòu)、金屬厚度、封裝技術(shù)以及尺寸均相同的雙極型天線，鋸齒形、矩形天線比直線形天線能更有效地輻射能量，可以獲得較高的增益。

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圖5 雙級性天線結(jié)構(gòu)

典型系統(tǒng)

? GHz以上時鐘信號分配采用無線射頻時鐘分配技術(shù)，不僅可以降低功率消耗，而且可以減少時鐘相位偏差，進一步保證信號完整性。

? 美國學(xué)者Floyd提出15GHZ頻率的芯片級射頻時鐘分配方法^[4]_，可以實現(xiàn)3mm～5.6mm的無線互連。新加坡學(xué)者Zheng設(shè)計的芯片級射頻數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)^[5]，也適用芯片級射頻時鐘信號的分配。
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板級/系統(tǒng)級無線射頻時鐘分配

?? 目前，微處理器工作頻率及數(shù)字系統(tǒng)性能都隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展不斷提高。傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘分配技術(shù)表現(xiàn)出極差的信號完整性，不再適宜印刷電路板上集成電路芯片間的時鐘信號分配。具有功率消耗小、信號完整性好的無線互連時鐘分配技術(shù)是當(dāng)前的最佳選擇。

???板級/系統(tǒng)級射頻時鐘分配系統(tǒng)，由片外射頻時鐘發(fā)射機和片上射頻時鐘接收機兩部分組成。典型的板級射頻時鐘分配系統(tǒng)如圖6所示。

??????????????????????????????????????????? 圖6 板級射頻時鐘分配
?? 片外時鐘發(fā)射機首先產(chǎn)生15GHz的全局時鐘信號(頻率為局部時鐘信號頻率的8倍)，然后通過拋物面天線發(fā)射；分布在印刷電路板(PCB)或多芯片模塊(MCM)上的時鐘接收機先用接收天線檢測發(fā)送的全局時鐘信號，經(jīng)過低噪聲放大器放大后，同步分頻成1.875GHz的局部時鐘信號。采用片外時鐘發(fā)射機使得所有接收機能夠接收到幅度、相位均相等的全局時鐘信號，可以減少因幅度、相位不匹配引起的時鐘相位偏差，進而保證信號完整性^[6]_。

?? 美國學(xué)者Floyd首先提出了15GHz的板級射頻時鐘分配方法^[7]_,可實現(xiàn)5.6mm的無線互連。美國學(xué)者Chang設(shè)計的板級射頻數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)^[8]_，也可以應(yīng)用于板級高頻時鐘信號的分配。

??? 國際學(xué)者的研究結(jié)果表明，GHz以上時鐘信號的分配適宜采用無線射頻時鐘分配技術(shù)，尤其是高數(shù)據(jù)速率、大量輸出端情形更能體現(xiàn)出無線時鐘分配系統(tǒng)的優(yōu)越性。

結(jié)論

?? 隨著時鐘信號頻率的不斷提高，傳統(tǒng)互連線所帶來的一系列問題將制約集成電路的發(fā)展,射頻互連技術(shù)必將成為集成電路芯片內(nèi)電路間、板級/系統(tǒng)級集成電路芯片間時鐘信號分配的全新方式?；趯?dǎo)波的射頻時鐘分配技術(shù)和無線射頻時鐘分配技術(shù)是近幾年來國際學(xué)術(shù)界興起的一個前沿研究領(lǐng)域。

? ?時鐘頻率為0.2GHz－10GHz的高速數(shù)字系統(tǒng)，時鐘分配已步入射頻互連階段。國際學(xué)者的仿真結(jié)果表明，對于基于導(dǎo)波的射頻時鐘分配技術(shù)，GHz射頻時鐘分配系統(tǒng)時鐘相位偏差、抖動可以忽略，5GHz以下板級信號完整性及10GHz以下系統(tǒng)級信號完整性問題并不嚴(yán)重；對于無線射頻時鐘分配技術(shù)，利用無線互連技術(shù)分配高頻時鐘信號，不僅減少了功率消耗，而且保證了信號的完整性；使用先進的CMOS技術(shù)可以提高工作頻率，從而改善天線性能，進一步增加互連距離。只是GHz以上射頻時鐘分配系統(tǒng)會引起嚴(yán)重散射，所以有必要使用屏蔽金屬盒或者采用嵌入式設(shè)計。當(dāng)然，電磁干擾、封裝效應(yīng)、電磁波散射以及數(shù)據(jù)通信等問題都有待進一步的研究^{[9-12]_。}

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? 無線互連技術(shù)不僅可以傳輸時鐘信號，而且可以傳輸數(shù)據(jù)信號，二者的不同之處僅在于無線數(shù)據(jù)通信需要一種調(diào)制機制。因此，無線時鐘分配技術(shù)是評價無線互連可能性的本質(zhì)性開端，是進而發(fā)展無線互連系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。而且，無線互連技術(shù)除了應(yīng)用于高性能的數(shù)字系統(tǒng)外，還可應(yīng)用在通信、雷達等其他系統(tǒng)中。

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