7-时序逻辑电路设计.ppt
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1、超大规模集成电路基础超大规模集成电路基础20112011第第7 7章章 时序逻辑电路设计时序逻辑电路设计许晓琳许晓琳()合肥工业大学电子科学与应用物理学院合肥工业大学电子科学与应用物理学院合肥工业大学应用物理系本章重点本章重点寄寄存存器器、锁锁存存器器、触触发发器器、振振荡荡器器、脉脉冲冲发发生生器器和和施施密密特特触触发发器器的的实现技术实现技术静态与动态实现的比较静态与动态实现的比较时钟策略的选择时钟策略的选择时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系时序逻辑电路时序逻辑电路输输出出不不仅仅取取决决于于当当前前的的输输入入值值,也也取取决决于于原原先先的的输输入入值值。即即它它具具有记忆功能
2、有记忆功能7.1 7.1 引言引言COMBINATIONALLOGICRegistersOutputsNext stateCLKQDCurrent StateInputs图图7.1 7.1 利用正沿触发寄存器的有效状态机的方框图利用正沿触发寄存器的有效状态机的方框图时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.1.1 7.1.1 时序电路的时间参数时序电路的时间参数tCLKtDtsu tholdtQDATASTABLEDATASTABLERegisterCLKDQtc-q时序电路的时钟参数时序电路的时钟参数建立时间:在时钟翻转之前数据输入必须有效的时间建立时间:在时钟翻转之前数据输入必须有效的时
3、间保持时间:在时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间保持时间:在时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间传传播播延延时时:相相对对于于时时钟钟边边沿沿,最最坏坏情情况况下下,数数据据被被复复制制到到输输出出端端的时间的时间时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系推导系统级的时序约束条件:推导系统级的时序约束条件:最小时钟周期最小时钟周期TT tc-q+tplogic+tsu时时序序电电路路工工作作的的时时钟钟周周期期T必必须须能能容容纳纳电电路路中中任任何何一一级级的的最最长延时长延时对寄存器维持时间的要求对寄存器维持时间的要求tcdregister+tcdlogic thold这这一一约约束束
4、保保证证了了时时序序元元件件的的输输入入数数据据在在时时钟钟边边沿沿之之后后能能够够维维持足够长的时间,而不会因新进入的数据流而过早改变持足够长的时间,而不会因新进入的数据流而过早改变COMBINATIONALLOGICRegistersOutputsNext stateCLKQDCurrent StateInputs时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.1.2 7.1.2 存储单元的分类存储单元的分类前台存储器和后台存储器前台存储器和后台存储器嵌入在逻辑中的存储器嵌入在逻辑中的存储器/大量的集中存储内核大量的集中存储内核静态存储器和动态存储器静态存储器和动态存储器 正正反反馈馈或或再再
5、生生原原理理/在在与与MOS器器件件相相关关的的寄寄生生电电容容上上暂暂时时存存储储电荷电荷用用于于寄寄存存器器在在较较长长时时间间内内不不被被更更新新时时/用用于于要要求求较较高高性性能能水水平平和和采用周期时钟控制的数据通路电路中采用周期时钟控制的数据通路电路中锁存器和寄存器锁存器和寄存器电平敏感电平敏感/边沿触发边沿触发CLKCLKDDQQ时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系不同类型存储元件的定义不同类型存储元件的定义一个边沿触发的存储元件称为一个边沿触发的存储元件称为寄存器寄存器锁存器锁存器是一个电平敏感的器件是一个电平敏感的器件由交叉耦合的门构成的任何双稳态元件称为由交叉耦合的门
6、构成的任何双稳态元件称为触发器触发器(flip-flop)存储单元的分类存储单元的分类时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2 7.2 静态锁存器和寄存器静态锁存器和寄存器双稳态原理双稳态原理多路开关型锁存器多路开关型锁存器主从边沿触发寄存器主从边沿触发寄存器低电压静态锁存器低电压静态锁存器静态静态SR触发器用强信号直接写数据触发器用强信号直接写数据时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2.1 7.2.1 双稳态原理双稳态原理Vi1ACBVo2Vi1=Vo2Vo1Vi2Vi2=Vo1交交叉叉耦耦合合的的两两个个反反相相器器形形成成了了双双稳稳态态电电路路(即即一一个个电电路路具具有
7、有2个个稳稳定定状态,每一个对应一个逻辑状态状态,每一个对应一个逻辑状态)。当翻转区中反相器的增益大于当翻转区中反相器的增益大于1时,时,只有只有A和和B是稳定的工作点,而是稳定的工作点,而C是是一个一个亚稳态亚稳态工作点。工作点。A.A.两个串联的反相器两个串联的反相器B.B.反相器的反相器的VTCVTC时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系亚稳态的概念亚稳态的概念改变电路状态的方法:改变电路状态的方法:切断反馈环路切断反馈环路(见见7.2.2 多路开关型锁存器多路开关型锁存器)触发强度超过反馈环触发强度超过反馈环(实现静态后台存储器的主要方法实现静态后台存储器的主要方法)双稳态原理双稳态
8、原理Vi1=Vo2Vi1=Vo2Vi2=Vo1Vi2=Vo1时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2.2 7.2.2 多路开关型锁存器多路开关型锁存器负锁存器负锁存器当当CLK=0时采样时采样正锁存器正锁存器当当CLK=1时采样时采样CLK10DQ0CLK1DQ时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系CLKCLKCLKDQ用传输门构成正锁存器的晶体管级实现用传输门构成正锁存器的晶体管级实现(图图7.7)效率不高效率不高(它对于它对于CLK信号有信号有4个晶体管的负载个晶体管的负载)多路开关型多路开关型锁存器锁存器时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系(a)(a)电路图电路图 (b)(b
9、)不重叠时钟不重叠时钟CLKCLKCLKCLKQMQM仅有仅有NMOS传输管构成多路开关的多路开关型传输管构成多路开关的多路开关型NMOS锁存器锁存器(图图7.8)时钟负载减少;但对噪声容限和开关性能都会有影响时钟负载减少;但对噪声容限和开关性能都会有影响多路开关型多路开关型锁存器锁存器时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2.3 7.2.3 主从边沿触发寄存器主从边沿触发寄存器思考:负沿触发寄存器的实现思考:负沿触发寄存器的实现图图7.9 7.9 基于主从结构的正沿触发寄存器基于主从结构的正沿触发寄存器CLK=0 采样采样 保持保持 CLK=01 保持保持 采样采样时序逻辑电路设计.合
10、肥工业大学应用物理系图图7.10 7.10 利用多路开关构成的主从型正沿触发寄存器利用多路开关构成的主从型正沿触发寄存器QDclkQMI1I2I3I4I5I6T2T1T3T4MasterSlaveclkclk主级主级 采样采样从级从级 保持保持主级主级 保持保持从级从级 采样采样电路中包含电路中包含反相器反相器I1和和I4的好处是什的好处是什么?么?主从边沿触主从边沿触发寄存器发寄存器时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系多路开关型主从寄存器的时序特性多路开关型主从寄存器的时序特性建立时间:输入数据建立时间:输入数据D在时钟上升沿之前必须有效的时间在时钟上升沿之前必须有效的时间3 tpd_i
11、nv+tpd_tx传播延时:传播延时:QM值传播到输出值传播到输出Q所需要的时间所需要的时间tc-q=tpd_inv+tpd_tx 保持时间:在时钟上升沿之后输入必须保持稳定的时间保持时间:在时钟上升沿之后输入必须保持稳定的时间0主从边沿触主从边沿触发寄存器发寄存器时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系例例7.1 7.1 利用利用SPICESPICE进行时序分析进行时序分析图图7.11 7.11 建立时间模拟建立时间模拟时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系图图7.12 7.12 传输门寄存器的传播延时模拟传输门寄存器的传播延时模拟主从边沿触主从边沿触发寄存器发寄存器DQCLK0.50.5
12、1.52.5tc-q(lh)0.511.522.50time,nsecVoltstc-q(hl)时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系减少了时钟负载的静态主从寄存器减少了时钟负载的静态主从寄存器传输门寄存器的缺点是时钟信号的电容负载很大传输门寄存器的缺点是时钟信号的电容负载很大以稳定性为代价降低时钟负载的一个方法是以稳定性为代价降低时钟负载的一个方法是使电路成为有比电路使电路成为有比电路T1的尺寸必须比的尺寸必须比I2更大,才能切换交叉耦合反相器的状态更大,才能切换交叉耦合反相器的状态为了避免反向传导,为了避免反向传导,I4必须比必须比I1弱弱DQT1I1CLKCLKT2CLKCLKI2I3
13、I4主从边沿触主从边沿触发寄存器发寄存器时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系非理想时钟信号非理想时钟信号时钟偏差时钟偏差因因为为布布置置两两个个时时钟钟信信号号的的导导线线会会有有差差别别,或或者者负负载载电电容容可可以以因因存存储储在在所所连连接接的的锁锁存存器器中中的的数数据据不不同同而而变变化化。这这一一影影响响称称为为时时钟钟偏偏差差时钟偏差会造成两个时钟信号的重叠时钟偏差会造成两个时钟信号的重叠理想时钟信号理想时钟信号 非理想时钟信号非理想时钟信号时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系时钟重叠可以引起两种类型的错误时钟重叠可以引起两种类型的错误竞竞争争情情况况:由由于于CLK和
14、和CLK在在一一个个很很短短的的时时间间内内都都为为高高电电平平,两个采样传输管都导通,因此在两个采样传输管都导通,因此在D和和Q之间有直接通路之间有直接通路不不确确定定状状态态:由由于于CLK和和CLK都都为为高高电电平平,那那么么节节点点A同同时时被被D和和B驱动驱动CLKCLKAB(a)电路图电路图XDQCLKCLKCLKCLK图图7.15 7.15 仅用仅用NMOSNMOS传输管的主从寄存器传输管的主从寄存器(b)一对时钟重叠一对时钟重叠非理想非理想时钟信号时钟信号时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系解决方案:解决方案:采用两相不重叠时钟,并保持两相时钟之间的不重叠时间足够长采用两
15、相不重叠时钟,并保持两相时钟之间的不重叠时间足够长PHI2PHI1主级主级 采样采样从级从级 保持保持主级主级 保持保持从级从级 采样采样动态存储动态存储tnon_overlapPHI1PHI1AB(a)电路图电路图XDQPHI2PHI2图图7.16 7.16 伪静态两相位伪静态两相位D D寄存器寄存器(b)(b)两相不两相不重叠时钟重叠时钟非理想非理想时钟信号时钟信号时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2.4 7.2.4 低电压静态锁存器低电压静态锁存器降降低低到到低低电电源源电电压压时时要要求求使使用用阈阈值值减减小小的的器器件件,然然而而这这会会产产生生显显著著亚亚阈阈值值漏漏电
16、功耗的负面影响电功耗的负面影响为了克服在寄存器闲置期间高漏电的问题,使用多阈值器件为了克服在寄存器闲置期间高漏电的问题,使用多阈值器件图图7.18 7.18 采用多阈值采用多阈值CMOSCMOS解决漏电问题解决漏电问题时序逻辑电路设计.合肥工业大学应用物理系7.2.5 7.2.5 静态静态SRSR触发器触发器用强信号直接写数据用强信号直接写数据采用采用NOR门的门的SR触发器触发器采用采用NAND门的门的SR触发器触发器(a)(a)电路图电路图 (b)(b)逻辑符号逻辑符号 (c)(c)真值表真值表Forbidden StateSSRQQQQRSQQ00Q101001010110RQSQRQ时
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