【学术论文】多时钟系统下跨时钟域同步电路的设计
随着时间的推移，集成电路行业发展至今，已有类似如Intel这样先进的foundry，提出迈入10 nm制程的规划。高集成度的推行，也使芯片规模越来越大，功能越来越复杂，设计难度越来越高[1]。SOC的内部时钟的复杂化，导致跨时钟域的接口越来越多。针对这些异步信号的处理，国外的先驱们提出了很多建设性意见。但一般用到器件较多，考虑到成本因素，小规模IC将无法承受，并且如果输入脉冲高电平宽度低于最快时钟周期的话，一般无法适用。因此要想很好地解决这个问题，要处理好4个方面工作：一是如何简化电路；二是如何适应最小输入脉宽的问题；三是解决好亚稳态问题；四是要提高设计可靠性[2]。
实际使用时，往往会出现信号在频率不用的时钟域传递的情况，对于这种情况，一般用两种方法处理：结绳法、伴随有效控制信号法。当信号从一个时钟域进入另一个时钟域的时候，往往出现亚稳态问题[4]。亚稳态是指触发器无法在某个规定时间段内达到一个可确认的状态。当一个触发器进入亚稳态时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。信号同步的目的是防止上一级亚稳态对下一级产生不良影响，采用信号同步的方法就要设计信号同步器。信号同步器主要有3种：电平同步器、边沿检测同步器、脉冲同步器[7-8]。但是这些常用方法本身存在缺点和不适应性。在解决实际问题中，需要根据具体情况，来设计具体的方案。
整个电路包括两个时钟域以及一个复位电路。时钟域1包含一个带有异步复位端的同步触发器。此触发器带有异步复位端R和同步时钟端CK，低电平产生复位，时钟上升沿开始锁存数据输入端D的状态。输出端有正相Q、反相/Q两种数据输出。时钟域2由两个同样的触发器组成，跟前面的一样由异步复位端R和同步时钟端CK，数据输入端D组成。输出端为正相Q、反相/Q两种，复位电路由一个与门组成，接收DFF3的反向/Q输出的数据，电路连接关系如图1所示。
在设计方案中，最大限度地保障了不漏信号。同时，时钟域1的输入脉冲信号宽度（高电平宽度）可以低于时钟域1的时钟单周期宽，电路正常工作，并且设计中脉冲宽度不再受限于时钟域1的时钟频率。第三，数据锁存器的数据输出端Q输出的脉冲信号宽度为时钟域2的时钟单周期宽，从而避免了误触发和多触发。
这种方法适用于输入信号类型为脉冲或电平，最终得到的结果为脉冲。如图2所示。
如图3所示,当clock1快于clock2时，图中Data_in1表示第一个输入脉冲，此脉冲由Data_in输入，脉冲宽度小于clock1的四分之一，同时，脉冲宽度小于系统最快时钟（clock1最快）的四分之一。Data_in1的上升沿到来的瞬间，Q1输出高电平“1”；Data_in1的上升沿之后，第一个clock2的上升沿到来瞬间，Q2输出高电平“1”；第二个clock2的上升沿到来瞬间，Data_out输出高电平“1”，与此同时，nRST生成复位信号，复位DFF1、DFF2，使Q1、Q2输出低；第三个clock2的上升沿到来瞬间，由于Q1、Q2早已变成低电平“0”，此时，“0”传递到Data_out，形成了一个clock2的周期宽度的脉冲Data_out1。
如图4所示，若clock2快于clock1时，图中Data_in1表示第一个输入脉冲，此脉冲由Data_in输入，脉冲宽度小于clock1的四分之一，同时，脉冲宽度小于系统最快时钟（clock2最快）的四分之一。
如图5所示,当clock2等于clock1时，图中Data_in1表示第一个输入脉冲，此脉冲由Data_in输入，脉冲宽度小于clock1的四分之一，同时，脉冲宽度小于系统最快时钟（clock2等于clock1）的四分之一。
根据以上分析，通过Modelsim仿真分析得出以下时域图像可以验证上述特征,如图6～图8所示，快时钟为10 Hz，慢时钟为3.3 Hz，当时钟相等时为5 Hz。从仿真图像来看，亚稳态问题以及信号宽度受限于时钟宽度问题可以良好的解决。
下方是基于和舰科技180 nm Pflash生产工艺设计实例。方案基于Faraday 0.18 ?滋m GII Library Standard Cell，图中灰色部分为模拟IP。下图中SAR_ADC的输出接口中，有一个脉冲信号的宽度等于系统时钟周期的一半。采用一般的手段，无法捕获这个脉冲，采用上文所述的电路则便高效地解决了这个问题。具体实现运行代码如下：
assign ADC_fine_rst = ADC_fine_sys || rst ;
%生成复位信号ADC_fine_rst，高有效，为使ADC_fine_sys和rst高电平产生复位，所以采用“逻辑或”运算。
always @(posedge drdy_dig or posedge ADC_fine_rst )
if (ADC_fine_rst)
ADC_fine <= 1'b0;
else
ADC_fine <= 1'b1;
%对应图1中的DFF1，drdy_dig为原始窄脉冲信号，若直接用系统时钟clk_system采样，将无法锁存。因此，此处drdy_dig接ADC_fine_reg的clk端。drdy_dig为ADC的IP电路输出信号，同步逻辑输出，有效压制毛刺，避免误触发。
always @(posedge clk_system or posedge ADC_fine_sys )
if (ADC_fine_sys)
ADC_fine_ff <= 1'b0;
else
begin
if (rst)
ADC_fine_ff <= 1'b0;
else
ADC_fine_ff <= ADC_fine;
end
%对应图1中的DFF2，此处rst的同步复位逻辑没有决定性意义，可以去除。
always @(posedge clk_system or posedge rst )
if (rst)
ADC_fine_sys <= 1'b0;
else
ADC_fine_sys <= ADC_fine_ff;
%对应图1中的DFF3，由原始drdy_dig信号，生成了ADC_fine_sys信号，从而实现跨时钟对接。
最后生成如图9所示的GDSII视图。按照生成GDSII视图制作如图10所示测试电路板。
经过MPW shuttle以及full MASK，采用天水华天的SOP20封装工艺，并设计板级测试系统，专项测试SAR_ADC结果如表1所示。ADC性能符合spec，排除测试环境的影响，信号捕获成功率等于100%，接口电路方案成功。
从整体来看，该方法结构简单。其输入脉冲信号宽度可以低于本身的时钟单周期宽，使得设计中脉冲宽度不再受限于时钟频率；同时，时钟域1中输入脉冲信号宽度可以低于系统最快时钟单周期宽，进一步提高了采集的稳定性和适应性。时钟域2输出脉冲信号宽度为时钟域2的时钟单周期宽，从而避免了误触发，电路经过两级同步，这样很好地解决了亚稳态问题。总的来讲提高了采集的稳定性和适应性。
但是，这种处理方法对输入信号也有要求：输入毛刺宽度应小于DFF1（如图3）的最小时钟辨识度，否则将产生误触发。因此，这种方法的输入信号一般是SOC同步电路的输出信号，如输入为片外信号，一般要增加前置数字滤波电路。