天津大学数字集成电路第七讲静态时序逻辑电路ppt课件

1、TJU. ASIC Center-Arnold Shi,第七讲静态时序逻辑电路,天津大学电信学院电子科学与技术系 史再峰,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,时序逻辑电路,两种存储机理： 正反馈 基于电荷,组合逻辑,寄存器,输出,下一状态,CLK,Q,D,当前状态,输入,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,存储机理,静态时序逻辑,动态时序逻辑,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,正反馈:双稳态电路,V,o,1,V,i,2,5,V,o,1,V,i,2,5,V,o,1,A,C,B,V,o,2,TJU. ASIC Center-Arnold

2、 Shi,亚稳态(Meta-Stability,过渡区的增益应当大于1,AB为稳态工作点，C为亚稳态点 触发翻转(写入数据)的方法： （1）切断反馈环（采用Mux ） （2）强制驱动（正确设计尺寸,A,Vi1 = Vo2,Vi2 = Vo1,B,C,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,存储单元的实现方法与比较,利用正反馈（再生）：静态（双稳态） 静态:信号可以“无限”保持 鲁棒性好:对扰动不敏感 对触发脉冲宽度的要求:触发脉冲的宽度须稍大于沿环路总的传播时间，即两个反相器平均延时的两倍 尺寸大,限制了在计算结构如流水线式数据通路中的应用,利用电荷存储,动态（要求定期刷新，要

3、求从存储电容中读出信号时不会干扰所存储的电荷，因此要求具有高输入阻抗的器件,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Latch 与Register,Latch（以正电平敏感为例） 当时钟是低电平时存储（锁存）数据,D,Clk,Q,D,Clk,Q,Register以上升沿触发为例）,当时钟上升时存储（存入）数据,Clk,Clk,D,D,Q,Q,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Latch（锁存器,电平灵敏（ Level Sensitive）, 不是边沿触发 可以是正电平灵敏或负电平灵敏，当时钟为高电平（或低电平）时，输入的任何变化经过一段延迟就会反映在输出端

4、上 有可能发生竞争(Race)现象，只能通过使时钟脉冲的宽度小于（包括反相器在内的）环路的传播时间来避免,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,正电平锁存器与负电平锁存器,正电平锁存器,负电平锁存器,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,基于Latch 的设计举例,负(Negative)latch 在= 0 时是透明的,正（Positive） latch 在=1 时是透明的,负,Latch,逻辑,逻辑,正,Latch,f,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,时序电路的时间参数,t,CLK,t,D,t,Q,DATA,STABLE,DATA,

5、STABLE,Register,CLK,D,Q,1)建立（set-up) 时间: tsu (2)维持（hold）时间: thold (3)时钟至输出（ clk-q）时间（max）: tclk-q (4)时钟周期：T (5)数据至输出（ d-q）时间（max）: td-q,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Register 时序参数,注意当数据的上升和下降时间不同的时候，延时将不同,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Register与latch的时序,Register,Latch,Clk,D,Q,Clk,D,Q,TJU. ASIC Center-Arn

6、old Shi,Latch 时序参数,注意当数据的上升和下降时间不同的时候，延时将不同,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,最高时钟频率,但同时需要满足: tcdreg + tcdlogic thold tcd:污染延时（contamination delay） = 最小延时,tclk-Q + tp,comb + tsetup T,LOGIC,FF,最高时钟频率需要满足,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,研究不同时刻（t1, t2,tclk-Q + tp,comb + tsetup T,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,在同一时刻

7、（t1）考虑hold,tcdreg + tcdlogic thold,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,写入（触发）静态Latch 的方法,MUX 实现,弱反相器实现（强制写入） (控制门可仅用NMOS实现,以时钟作为隔离信号, 它区分了“透明” （transparent ） 和“不透明” （opaque）状态,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,基于Mux 的Latch,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,基于（传输门实现的） Mux 的Latch,CLK,CLK,CLK,D,Q,1）尺寸设计容易 （2）晶体管数目多（时钟负载因而

8、功耗大,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,基于（传输管实现）Mux 的Latch,NMOS only,Non-overlapping clocks 不重叠时钟,1）仅NMOS 实现，电路简单，减少了时钟负载 （2）有电压阈值损失（影响噪声容限和性能，可能引起静态功耗,CLK,CLK,CLK,CLK,Q,M,Q,M,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,主从（Master-Slave ）边沿触发寄存器,时钟为高电平时，主Latch 维持，QM 值保持不变，输出值Q 等于时钟上升沿前的输入D 的值，效果等同于“正沿触发” 效果等同于“负沿触发”的主从寄存器只

9、需互换正Latch和负Latch的位置,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,传输门实现的正负latch实现MS寄存器,基于传输门多路开关的latch 对,负Latch,正Latch,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,建立时间、延迟时间和维持时间,建立时间：I1+T1+I3+I2 延迟时间：T3 +I6 维持时间：约为0,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Clk-Q 的延时,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Set-up Time 的仿真过程,Volts,Time (ns,D,clk,Q,QM,I2 out,t

10、setup = 0.21 ns,正常工作,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Set-up Time的仿真,Volts,Time (ns,D,clk,Q,QM,I2 out,tsetup = 0.20 ns,没有正确触发,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,减少时钟负载的主从寄存器,采用弱反相器可减少一个时钟控制的传输门,设计复杂性增加：尺寸设计要保证能强制写入 反相导通：当T2 导通时，第二个触发器有可能通过传输门T2 的耦合而影响第一个触发器存储的数据,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,伪静态锁存器,Clk 为低时，为双稳态（静

11、态） Clk 为高时，输入值写入并存放在内部电容上（动态,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,非理想时钟,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,时钟重叠问题,CLK,CLK,A,B,a)电路图,b)重叠的一对时钟,X,D,Q,CLK,CLK,CLK,CLK,用伪静态锁存器构成的主从触发器当Clk 和反Clk 发生重迭时，可能引起失效： 当Clk 和反Clk 同时为高时，A 点同时为In 和B 点驱动，造成不定状态 当Clk 和反Clk 同时为高一段较长时间时，In 可以直接穿通经过主从触发器,采用两相位不重迭时钟可以解决此问题，但时钟不重迭部分不能太长以免

12、漏电时间过长引起出错,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,产生两相不重叠时钟的电路,A,clk,A,B,B,clk1,clk2,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,Power PC的触发器,0,1,0,1,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,低电压静态Latch,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,RS-触发器（flip-flop,由交叉的NOR ( 或NAND )门构成,S,Q,R,Q,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,CMOS 钟控 SR 锁存器,1,1,0,0,on,off,off-on,off-on,0,1,on,off,off,on,on,on,off,off,M1,S,R,clk,clk,Q,Q,M2,M3,M4,M5,M6,M7,M8,0 1,0 1,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,瞬态响应,Q & !Q (Volts,SET,Q,Q,Time (ns,tc-!Q,tc-Q,TJU. ASIC Center-Arnold Shi,输出电压与尺寸的关系,W/