PLL 與 DLL 的差異:控制對象、倍頻、抖動、穩定性、用途比較

兩者都會偵測與參考時脈之間的相位差,並以回授控制使其歸零,但調整的對象不同。PLL 調整壓控振盪器(VCO)的頻率,讓自己振盪產生的時脈對齊參考時脈,因此與除頻器搭配,就能產生參考頻率數倍的頻率。DLL 則讓輸入時脈本身通過延遲線,只調整其延遲來對齊相位,因此無法改變頻率,但具有抖動不會累積、迴路穩定且容易設計的特點。

項目PLLDLL
名稱Phase-Locked Loop(鎖相迴路)Delay-Locked Loop(延遲鎖定迴路)
控制對象VCO 的頻率(相位是頻率的積分)延遲線的延遲量
主要構成相位頻率偵測器、電荷泵、迴路濾波器、VCO、回授除頻器相位偵測器、電荷泵、迴路濾波器(電容)、壓控延遲線
輸出時脈VCO 自己振盪產生的時脈將輸入時脈延遲後的時脈
倍頻可以。在回授中加入 1/N 除頻器即可得到參考的 N 倍(也有小數倍的方式)基本上不行。輸出與輸入頻率相同(也有組合多相輸出來倍頻的方式)
抖動VCO 的擾動會逐週期累積,只有低於迴路頻寬的成分會被修正。參考時脈的抖動中,高於頻寬的成分會被濾除延遲線不會累積抖動。輸入的抖動幾乎直接傳到輸出
迴路穩定性VCO 具有積分作用,迴路為 2 階以上,需考量相位裕度來設計迴路濾波器延遲線不具積分作用,迴路可做成 1 階,穩定且容易設計
鎖定可在寬廣的頻率範圍內鎖定,但鎖定所需時間較長能快速鎖定,但延遲範圍有限,需注意鎖定在偏移 1 個週期之位置的錯誤鎖定
主要用途由石英振盪器的參考產生高頻時脈、無線通訊的頻率合成器、SerDes 的時脈與時脈資料回復(CDR)DDR DRAM 輸出與時脈的時序對齊、時脈去偏斜、多相時脈的產生

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

PLL
需要與參考時脈頻率不同(多半高出數倍)的時脈時。由石英振盪器的參考產生 CPU 或 SerDes 的時脈,或產生無線通訊的頻率時。
DLL
頻率相同即可,想抵消晶片內部的延遲以對齊時脈相位時。DDR DRAM 資料輸出的時序對齊,以及時脈去偏斜。
搭配使用
常見的組合是以 PLL 產生所需頻率的時脈,再在記憶體介面等處以該時脈為參考,用 DLL 進行細微的相位調整(例如將選通訊號錯開 1/4 週期)。

常見問題

為什麼 DLL 無法改變頻率?

因為 DLL 的輸出是將輸入時脈以延遲線延遲後的時脈。無論如何改變延遲,邊緣的間隔都與輸入相同,頻率不會改變。PLL 具有自行振盪的 VCO,並讓除頻後的時脈對齊參考,因此能產生參考 N 倍的頻率。

為什麼 DLL 的抖動不會累積?

因為 DLL 輸出的每個邊緣,都是將輸入的每個邊緣延遲而得,不會承接前一個週期的誤差。PLL 的 VCO 從前一個週期的結束處開始下一個週期,因此擾動會累積,直到迴路修正為止都會殘留。相對地,DLL 會讓輸入的抖動直接通過。

PLL 的迴路頻寬如何決定?

頻寬越寬,越能快速修正 VCO 的擾動,但參考時脈的抖動也越容易通過。頻寬越窄,越能濾除參考的抖動,但 VCO 的擾動會殘留,鎖定也會變慢。需視參考與 VCO 何者的雜訊較小,以及迴路的穩定性(相位裕度)來決定。

為什麼 DDR DRAM 使用 DLL?

晶片內部的時脈路徑與輸出電路有延遲,且會隨電壓與溫度變化。以 DLL 抵消這個延遲,就能對齊外部時脈的邊緣輸出資料。由於不需要改變頻率,不易增加抖動的 DLL 很適合。

理解度檢測

在與參考時脈同步相位的同時,產生其整數倍等頻率之時脈的電路是哪一個?

  1. APLL(鎖相迴路)
  2. B整流電路
  3. C取樣保持電路
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正確答案:A. PLL(鎖相迴路)

PLL由相位比較器、迴路濾波器、壓控振盪器(VCO)與除頻器構成,控制使VCO輸出經除頻後的訊號與參考時脈的相位一致。將除頻比設為N,可得到參考頻率的N倍,例如可由25 MHz的石英產生數GHz的CPU時脈。以小數除頻(Fractional-N)也能合成精細的頻率,並用於無線的本地振盪器,以及高速序列通訊的時脈回復。

下列哪一項是對同步式電路「時脈偏斜」的正確說明?

  1. A時脈的頻率隨時間變動
  2. B時脈訊號到達各正反器的時間差
  3. C時脈訊號的電壓高於電源電壓
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正確答案:B. 時脈訊號到達各正反器的時間差

時脈偏斜是同一個時脈因佈線長度或負載的差異,到達各正反器的時間不同所產生的差距。接收端的時脈延遲時,對設置有利但對保持不利,反之亦然。以CTS(時脈樹合成)設計涵蓋整個晶片的時脈樹,並統一緩衝器的配置與佈線長度,將偏斜抑制在數十ps以下。週期在時間上的抖動則是時脈抖動(jitter)。

佈局繞線製程中,時脈樹合成(CTS)的主要目的為下列何者?

  1. A縮小時脈訊號抵達各正反器的時間差異(偏斜,skew)
  2. B提高電源電壓
  3. C修正佈局的設計規則違反
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正確答案:A. 縮小時脈訊號抵達各正反器的時間差異(偏斜,skew)

晶片內數百萬個正反器收到時脈的時刻若參差不齊,就會造成時序違反。CTS將緩衝器如樹狀配置來分配時脈,縮小各正反器抵達時刻的差異(偏斜)。由於時脈持續切換,時脈樹有時會占晶片耗電量的很大一部分。這與電源電壓或修正DRC違反是不同的目的。

  1. 對高頻訊號進行AD轉換時,取樣時脈在時間上的晃動(抖動,jitter)會成為問題,其原因下列何者正確?
  2. 石英振盪器之所以廣泛用作時鐘或微控制器的時脈源,其主要理由是哪一個?

前往類比與電子電路的練習題

相關名詞的解說

PLL(鎖相迴路)
偵測與參考時脈的相位差並控制振盪器,產生與參考同步、頻率為整數倍等的時脈的電路。用於 CPU 的時脈產生與無線的頻率合成。
抖動(Jitter)
時脈或訊號邊緣的時序相對於理想值的細微時間性波動。取樣高頻訊號時,即使微小的抖動也會造成很大的電壓誤差。
時脈偏斜
同一個時脈訊號到達各個正反器的時間差異。由於會改變設定與保持的餘裕,因此在時脈樹合成時將其壓低。
相位邊限
在負回授迴路的增益為 1(0 dB)的頻率上,相位延遲到達 180° 之前的餘裕。太小則響應容易振盪,在 0 以下則會振盪。一般以 45〜60° 以上為目標。

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