锁相环工作原理（聊一聊锁相环PLL）

今天想来聊一下芯片设计中的一个重要macro——PLL，全称Phase lock loop，锁相环。我主要就介绍一下它是什么以及它是如何工作的。

芯片的时钟可以自己产生，可以由几个反相器接在一起构成一个简单的振荡器产生时钟，它的频率可以到很快的速度，但是时钟周期却没那么固定，一会快一会慢的。而从芯片外面来的晶振一般具有稳定的时钟周期，但频率只能是在兆赫兹的量级。PLL就是利用外部晶振作为参考时钟，来输出一个周期稳定的高频率的时钟，这个时钟供芯片的时序电路使用。可以说PLL是整个芯片的源头，从PLL出来的时钟我们认为就是干净的、后端可以直接用的时钟了。

最基本的PLL构成如下：它有一个最主要的元件——压控振荡器VCO，VCO的振荡频率是随着输入电压变化的，它的输出就是整个PLL的输出，也就是我们最终拿到的时钟。而VCO的输出也会由一个反馈电路接回PLL，经过除频电路得到一个与外部晶振频率差不多的时钟信号，而后比较他们二者的相位。如果晶振相位稍快，就把VCO输入电压调低，如果晶振相位稍慢，就把VCO输入电压调高，这样就可以根据输入晶振反馈调整VCO的输出，从而得到稳定的高频时钟信号。这只是PLL基本思想，实际实现起来，需要有一个电荷泵调整VCO的输入，而VCO的输入也需要滤掉谐波，如果不过滤的话反映到最终时钟上就是时钟抖动了。

从上面的简单介绍就可以看出，PLL是一个模拟器件，所以他本质上对噪声和干扰特别敏感，现在做PLL的重要课题之一就是如何减弱噪声影响。一般后端在物理实现的时候，也会对PLL做额外的特殊照顾，尽量减弱干扰。PLL就类似芯片中的心脏，用以供给跳动的时钟。但是在数字电路中照顾模拟器件的噪声干扰是十分复杂、困难的一件事，需要考虑很多东西。首先在PLL内部，就需要采用类似差分电路的方法来做VCO，当然这是最基本的，但是更多方法我也不太了解。在PLL外面，我们也会加很大的blockage，还有加很强壮的shielding等，PG供电也是怎么强怎么来，还有等等一系列额外的QoR检查、ESD检查等。总之一句话，就是会牺牲很大的代价也要把PLL的抗噪声做好。

这是我的第25篇文章。微信公众号：伟酱的芯片后端之路