第13讲 逻辑功效理论

1、第13讲 逻辑功效理论MOS管数字模型回顾（1）栅电容近似等于源（漏）区电容。栅电容近似等于源（漏）区电容。W增加，电容增加，电容按比例增加，电阻按比例减小。按比例增加，电阻按比例减小。（2）相同尺寸的）相同尺寸的P管电阻比管电阻比N管电阻大一倍。管电阻大一倍。FO4问题回顾驱动门只考虑漏区电容，负载门只考虑栅电容。驱动门只考虑漏区电容，负载门只考虑栅电容。本节要解决的问题如何快速估计快速估计从A到Y的延迟？如何设计逻辑门中晶体管尺寸使延迟最小？线性延迟模型o延迟分为2部分，一部分由逻辑门自身的寄生电容和导通电阻决定，称为寄生延迟寄生延迟。另一部分由导通电阻和负载电容决定，称为功效延迟功效延迟

2、。o公式 d=f+p 其中p为寄生延迟，f为功效延迟。反相器的寄生延迟与逻辑门尺寸无关！反相器的寄生延迟与逻辑门尺寸无关！其它逻辑门？2输入与非门的寄生延迟导通电阻为（R/k),Y点的寄生电容为6kC,寄生延迟为6RC，与k无关。2输入或非门的寄生延迟如果保持基本比例不变，同时改变所有管子的尺寸，2输入或非门的寄生延迟始终为6RC。3输入与非门和或非门的寄生延迟o3输入与非门 P：2 2 2 N:3 3 3o3输入或非门 P：6 6 6 N:1 1 1如果考虑串联MOS管的中间的电容？简化处理：4输入端以下忽略串联MOS管的中间电容.漏区寄生电容是9C,寄生延迟=3(3RC)结论o按比例增加或

3、缩小逻辑门中的晶体管尺寸，寄生延迟不变。o寄生延迟与逻辑关系有关,逻辑关系复杂则寄生延迟增加。o与非门和或非门寄生延迟相等,以3RC为单位时等于输入端个数.功效延迟怎么算？13322LLRdRCCRCRC如果使用2倍规格反相器,即将单位反相器的晶体管”尺寸”增加1倍，则功效延迟与”尺寸”(W)有关，尺寸增加一倍，功效延迟下降了一倍，但输入电容增加了一倍,对前一级不利。利用负载电容与输入电容表示反相器延迟iLCCd1kCCi3LRCkRCd13k倍反相器减小输出电阻是以增加输入电容为代价的。以3RC为单位，延迟可以表示为与非门的功效延迟iLCCd342LCkRRCd 6为使与非门的输出电阻为R，

4、付出的代价是输入电容为4C。kCCi4延迟可以写为单位：3RC逻辑功效o定义 使一个逻辑门具有与同规格反相器相同的输与同规格反相器相同的输出电阻时，出电阻时，该逻辑门的输入电容与反相器的输入电容与反相器的输入电容之比输入电容之比称为逻辑功效（Logic effort).逻辑功效和寄生延迟表门延迟的统一公式ghpfpdd:延迟，p:寄生延迟，f：功效延迟。单位3RC。g:逻辑功效h:电功效inoutCCh 如果以3RC为单位，逻辑门的延迟可以表示为快速估算路径延迟iiiiihgpfpD图中，逻辑门符号中的数字表示输入电容。最佳尺寸设计问题o已知第一级逻辑门尺寸和最后一级的负载电容，如何确定中间级

5、逻辑门中的晶体管尺寸使延迟最小？o思路 确定逻辑门中的晶体管尺寸等价于尺寸等价于确定逻辑门的输输入电容。入电容。因为逻辑门中的晶体管尺寸有固定比例，知道了输入电容就可以推算出尺寸。如何确定x,y,z使延迟最小？注意：寄生延迟与尺寸无关，要使延迟最小，等价于使功效延迟之和最小使功效延迟之和最小。iiiFhgfD即如何使最小？思路：先求功效延迟之积GHhgfFiiiigGifFihH定义：定义：G与尺寸无关，H？由于G与尺寸无关，如果能够在确定出中间门输入电容（尺寸）之前求出求出H，就能求出F，这样，最佳尺寸问题转化为乘积一定，使和最小的问题乘积一定，使和最小的问题。注意:这里对H的定义与原书不同

6、.无分支路径H的计算11ioutoutiCCzCyzxyCxHCi1是第1级门的输入电容。注意H与中间门尺寸无关。有分支路径如何计算H？在假设xb是x的正数倍，yb是y的正数倍，zb是z的正数倍时，也能消掉x,y,z。原书中的处理办法o将H定义为Cout/Cin。o定义分支功效bonoffonCCCbGBHF ibB结果与前面的算法相同。Con是当前考虑的分支上的负载电容，Coff是另一分支的电容。定义:最后:求出F以后如何？ifFiifpDnFf1ffffn21假设已算出由于由于其中寄生延迟是常数，关键是使fi之和最小条件其中即各级功效延迟相等时速度即各级功效延迟相等时速度最快最快.求出级功效延迟后计算各级门的输入电容o从最后一级开始向逐级回推算最后一级开始向逐级回推算逻辑门的输入电容，确定了逻辑门的输入电容就确定了逻辑门中的晶体管尺寸。zCghgfout4444可以求出z，求出后z就可求出y,x，最后根据逻辑门中的尺寸比例，求出P管和N管尺寸。例：确定中间逻辑门尺寸使延迟最小27100353534G827045283yxyxH计算125810000GHF51253f54535333yhgf53035235222xxyhgf得y