DLL发生谐波锁定的原理

01 什么是DLL的谐波锁定问题?

举个简单的例子，假如一个250MHz的DLL，其正常锁定后的整个延时链(VCDL)的总延时为一个周期T，即4ns。但在某些特别情况下，VCDL可能延时2T，即8ns，这就发生了谐波锁定。这时候Loop虽然锁定在一个稳定状态下，然而却是一种错误情况。

在DLL必须提供十分准确的延时间隔(T/N)的应用中，应该极力避免谐波锁定情况，因为相邻时钟间隔可能被定在2T/N，而不是T/N(N为延时单元个数)。

02 发生谐波锁定的原理是什么?

图1 DLL典型结构

DLL典型结构如上图1所示。图1中有4级延时单元，CKin=250M，一个周期Tin=4ns，锁定后相邻时钟间隔为Tin/4。CK1~CK4如下图所示，相邻延时为1ns，即T/4=4ns/4=1ns。

图2 CK1~CK4的时钟延时

看图1，注意到鉴相器只比较Ckin和CK4，当CKin和CK4达到同相位时，Loop进入锁定状态。·那么我们设想一下这种情况：VCDL延时了8ns，而不是4ns，对于PD而言，CKin和CK4仍然达到了同相，此时Loop也会保持在这个状态。这时候如果我们观察Vcont电压的波形，会发现其进入了“稳定”状态，和正确的锁定状态看到的现象非常相似，然而这只是一种假象。此时，如果我们去测量CK1和CK2的延时，会发现delay=2ns，但别忘了我们的要求是delay=1ns!

我们继续思考一下，DLL是一种负反馈环路，既然VCDL可以延时2T，那难道是负反馈功能出错了吗?并不是，即使负反馈作用始终正确，但Vcont点的初始电位在不同的条件，如工艺角变化、温度变化、电压变化时其Vcont值可能不同。这就有可能一开始，VCDL的延时超出了T，但因为PD只对Ckin和CK4进行鉴相，Loop认为调节相位差不足，继续加大相位差，最终使VCDL延时2T，Loop进入假锁定状态。

根据上述内容，总结一下就是两点原因导致了谐波锁定：

(1)Vcont初始值不确定

(2)PD只对参考时钟和最后一项时钟进行鉴相

03 如何避免谐波锁定?

为了避免DLL的谐波锁定问题，需要增加额外的附加电路。如前所述，出现该情况的主要原因是Vcont的初值的不确定性导致的，所以笔者目前见到的最多的措施，是采用复位电路对Vcont进行赋初值，使其初值为VDD或者GND，初值下延时单元的delay达到最小。然后释放复位，Loop在负反馈作用下进入调节过程直至最终的锁定。

赋初值操作之所以能避免谐波锁定，是因为这种操作消除了Vcont的不确定性，使得DLL的建立过程中相位误差单向变化。从一开始，延时单元Tdu的延时是从最小开始慢慢增加，直到VCD延时一个T后Loop锁定。

复位开关可加在如下图3所示的位置。左侧部分表示电荷泵CP。复位开关可使用PMOS，当RSTN=0V时，Vcont被PMOS上拉到了VDD。需注意，实际应用时可以不需要Rp，因为环路在原点只有一个极点，不存在稳定性问题。

图3 对Vcont增加复位上拉开关