第五章 数字 ASIC 设计特点 5.1 信号的分类 静态同步 ASIC 中的所有信号可以分为以下三种：时钟、控制信号 和数据。 1. 简单的时钟信号用于控制所有的边缘敏感触发器； 不受任何其 他信号的控制。 2. 控制信号，如“允许”和“复位”，用于使电路元件初始化、 使之保持在当前状态、在几个输入信号间作出选择或使信号通到另外的 输出端。若干控制信号可以全部来自同一个允许产生器，但受到状态计 数器的控制。 3. 数据信号中含有数据，它可以是一些单独的比特，也可以是总 线中的并行数据。 5.2 驱动能力、绝对扇出和相对扇出 从概念上讲，一片 ASIC 由若 干功能单元(部件或门)组成，每 一单元有一个或多个输入信号， 并产生一个或多个输出信号。从 电性能看，每一输出信号受一定 强度的驱动，即具有一定的驱动 能力，它决定于此部件的晶体管 结构。类似地，每一输入端在驱 动它的部件(或外部输入端)上加 了一定的负载。像驱动能力一样， 图 5-1 驱动 4 个反相器的反相器 负载也取决于部件的晶体管结 构。 图 5-2 驱动能力为 4 的反相器 通常，单位负载和单位驱动 能力是由一个反相器(图 4-3)产 生的。反相器的输出定义为具有 单位驱动能力，而其输入则定义 为在驱动它的任何电路上加有一 单位负载。 每一个输出端驱动一个或多 个其他部件的输入端，或连接到外部输出端。原先， “扇出”一词指从 一个输出端引出的这种连接的数目， 但是现在它应该计算加到每一连接 线上的等效单位负载数目。由被 驱动部件和外部输出加成的负载 总和是驱动部件输出端的“绝对 扇出”。图 5-1 示出一个驱动其他 4 个反相器的反相器，4 个反相器 均是单位负载。这样，它给出的 绝对扇出为 4。 图 5-3 驱动 12 个反相器的缓冲器 通常，“扇入”一词仍保持其 原来含意，即连接到一部件上的 输入端数目。例如，一个 3 输入 端“与”门具有的扇入为 3。 有些 CMOS 部件的驱动能力小于 1，这时常使用反相缓冲器增强这 种部件的驱动能力。图 5-2 示出一缓冲器，它等效于 4 个反相器并联。 此部件的驱动能力为 4(并且作为负载也等于 4)。 图 5-3 给出一个驱动能力为 4 的缓冲器，它连接了 12 个反相器， 给出绝对扇出为 12。另外一个很 有用的概念是相对扇出——绝对扇出 和驱动能力之比。图 5-3 中电路结点的相对扇出为 3。 电路中任一结点处的相对扇出为： 限制。然而，结点的相对扇出 基本上是两部分延迟之和： ASIC 设计中许多门级模拟 送延迟是由于栅极下面的 电电压低和驱动输入的上升时间 驱动能力 绝对扇出 相对扇出 = 不像 TTL 电路，CMOS 的扇出没有固定的 决定着它的若干特性，特别是决定其电路延迟。ASIC 性能要求给予相 对扇出一个上限，它和生产工艺过程有关，通常在8至16之间。 5.3 电路延迟 CMOS 电路中的延迟 惰性延迟传送延迟电路延迟 = + 程序就是根据这一简单模型设计 的。 传 耗尽层充电和放电需要时间产生 的。它取决于栅的类型，供电电 压，温度和工艺过程参数。通常， 温度愈高则载流子的迁移率愈 低、电阻愈高，故延迟愈长。供 图 5-4 电路延迟 长也使传送延迟增加。某些设计工具中的模拟程序的编写可以使其运行 于不同的状态，即慢(高温度，低供电电压)、快(低温度，高供电电压) 和标准三种状态。ASIC 工厂有时要求设计者在慢和快状态下对电路做 模拟后再提交生产。 惰性延迟产 生的主要原因是输出电路的电容和驱动门的内阻抗。 惰 总延迟＝传送延迟十(单位负载的惰性延迟 x 相对扇出) 性延迟长的影响除使总电路延迟增大外， 还使上升时间和下降时 间增 扇入的影响 4-6 和图 5-5 可 性延迟和传送延迟一样，也受环境变化的影响，但是它正比于结点的相 对扇出。在图 5-4 中给出总延迟和惰性延迟、传送延迟及相对扇出的关 系。相应的公式为： 惰 大。 5.4 在选择门的时候，要考 虑扇入的影响。一个门的扇 入和其驱动能力之间有一 定关系。例如，让我们考虑 图 4-6 和图 5-5 中的电路。 图中给出了 2 输入端和 3 输 入端“与非”门的晶体管电 路结构。 比较图 图 5-5 3 输入端“与非”门 以看出，—个 2 输入端与非 门作为负载，从正电源向源极消耗电流的能力和一反相器的能力相同。 若两个输入都是逻辑 0，因为有两个 p 型晶体管的并联电阻，故从低至 高的源阻抗是基本反相器的一 半。然而，它的两个输入由逻辑 0 变为逻辑 1 时，两个串联 n 型 管导通，其导通电阻是反相器的 两倍，使输出端高电位下降速度 比反相器也慢一倍，即自高向低 过渡有两 倍的延迟。 ”门的 n 型管的通过电流能力(至基 比较图 4-6 和图 5-5 可见， 从第三个 n 型晶体管来的另一串 联电阻进一步降低 3 输入端“与非 本反相器的三分之一)。 图 5-6 3 输入端“或非”门 图 4-7 和图 5-6 示出 2 输入端“或非”门和 3 输入端“或非”门的 结构。因为 p 型载流子的迁移率较低，因此这些门与其“与非”门等效 电路相比，性能较低。为了得到高性能电路，建议：和或非门相比，优 先选用：与非门。 5.5 边缘缓慢 在基本反相器中，电流与输入电压的关系示于图 4-4。由图可见， 当输入电压在高和低之间变化时，将有一大电流出现。所以若边缘平缓 将使大瞬态电流出现时间拖长。 当信号是一个加到边缘敏感部件的时钟时， 上升时间长的后果更为 严重。制造硅片时，工艺过程尽量保持稳定不变。然而，有些工艺过程 的条件限制使硅片各部位之间必然有所不同。工厂通常使最好的器件不 是在硅片中心生成，而是形成环状。 这样的环状布局可以使成品率最 高，并减小参数的散布，但是片上 的各个门的门限电压仍有变化。 在同步系统中，边缘缓慢加上 门限电压有差别以及本地引入的噪 声，将使时钟线上产生不同的延迟， 结果将出现我们不希望有的所谓 “时钟歪斜”现象。时钟歪斜是指 有效时钟边缘不在同一时刻出现，当用上升缓慢的边缘触发不同的边缘 敏感部件时就可能发生这种情况(见图 5-7)。 图 5-7 时钟歪斜 时钟歪斜是同步系统中最严重的问题之—。 若歪斜的程度大于从边 缘敏感存储器的输出到下一级输入的延迟时间，则其影响将变得很明 显。它能使移存器中的数据丢失，使同步计数器发生错误。时钟歪斜可 以由适当的时钟缓冲使之减小， 或者在边缘敏感器件的输出和其馈给的 任何边缘敏感输入端之间加入一定的延迟。 5.6 时钟缓冲 同步系统中时钟(及其他全局控制线，如复位线)必然负载很重。这 样有可能导致电路延迟和时钟歪 斜不能容忍。克服这个问题的方法 有二：线形缓冲和树形缓冲。 图 5-8 线形缓冲 5.6.1 线形缓冲 线形缓冲(图 5-8)在信号线上 使用一串缓冲器，使驱动强度逐步 增大。每一缓冲器的驱动强度 (它通常和负载一样)分配，应 使每一结点的相对扇出相同。 例如，图 5-9 示出一个反相器， 它驱动的负载等价于64个反相 器，而同样的负载可以通过一 串中间缓冲器来驱动。在每一 中间结点，相对扇出为 4。理论上最佳相对扇出为 e(2．71828…)，它 使总延迟最小。 图 5-9 负载等价于 64 表面上看来，似乎不用缓冲器要比用缓冲器的方案更快，因为后者 层次更多。然而，应用传送延迟和惰性延迟的计算公式(按每单位负载 标称 1ns 传送延迟和 1ns 惰性延迟计算)，可以得出下列结果： 1. 不用缓冲器的电路： 总延迟＝1 十 64×1＝65ns 2. 用上例的线形缓冲电路： 总延迟＝(1 十 4×1)十(1 十 4×1)十(1 十 4×1) ＝15ns 所以， 采用缓冲器时的总延 迟小很多，并且上升时间也更快。 图 5-10 反相器并联 ASIC 工厂为此目的而在其数 据库中设置有大功率的缓冲器， 或者容许反相器并联使用，以得 到所要求的驱动强度(见图 5-10)。 5.6.2 树形缓冲 超过一定的绝对负载量之 后，通过线形缓冲增加驱动能力 的优点不再存在。这是由于在 ASIC 中的线条宽度有时有限，电 流大时在线上会产生大的电压 降。在这种情况下，用树形缓冲 较好； 图 5-11 树形缓冲 使用树形缓冲时，时钟电路分成若干分支，每一分支的驱动强度按 几何级数增长。在图 5-11 中示出这种方案。在实际设计中，通常使每 一分支驱动某一局部电路中的各部件。在这个局部电路内有一缓冲器， 缓冲器常由一反相器和由其驱动的功率缓冲器组成。 这样做的另一个好 处是，可以保持信号的符号不变，以及在分文点处呈现一单位负载。 值得指出的是，这种时钟 分配方案的各个分支在各级之 间应该具有相同的相对扇出 (图 5-12)，因为不平衡的分支 是时钟歪斜的最大来源。由于 布线电容通常是一结点上总负 载的重要组成部分，在设计好 版图后应当再次校核相对扇 出。许多种 ASIC CAD 工具中都 有扇出程序，它可以用来进行 最后的仲裁。 图 5-12 具有相同的相对扇出 5.7 传 输 门 MOS晶体管构成的门是对称的，源极和漏极可以互换。例如在p型晶 体管中，若门的V t (门限电压)低于源或漏的电压，则沟道将导通。同样 地，当门的VT高于源或漏的电 压则n型沟道导通。 MOS晶体管可以用作 为与电源隔离的开关。然而，由于门限电 压的偏置，一个p型晶体管不 可能把一个负载电容拉向比V t 更近于正电源；对于。型晶体管，也不可 能使之更近于地。因此，传输门通常由一对晶体管组成，一个p型和一 个n型的(见图 4-13)。 图 5-13 用传输门实现的 D 型触发器 传输门有许多用途，包括 多路选择器、总线驱动器，甚 至做成 D 型触发器。与用逻辑 门做的同类电路相比，这种结 构通常更小并且速度更快.图 5-13 给出一个用传输门实现的 D 型触发器。 传输门 的使用有许多规则，设计者不能违背这些规则去使用这种 门。这些规则原则上是产生于传输门的双向性质：它在两个方向的导通 性同样好；传输门内部结点有可能处于浮动状态；在传输门串联过多时， 驱动能力有可能下降。从这一考虑出发，可以导出使用传输门的一些条 件。 5.7.1 由传输门的双向性产生的条件 打开一个传输门的时候在驱动电路中能够产生一个短暂的尖峰， 此 类峰或假信号是由于所谓“电荷共享”现象产生的。当传输门驱动一高 扇出结点时这一问题特别严重。 见图 5-14。 若线上有一边缘敏感部件(图 5-15)，或者有任何异步清除(图 5-16)，则这可能产生严重后果。然而， 使用门控的时钟和异步清除都是不好的设计方法， 后面有几章要讨论如 何避免使用这些设计方法。 5.7.2 三态缓冲器的演变 为了防 止电荷共享现象及传输门串联过多，正确的方 法是用反相缓冲器驱动传输门(图 5-17)。从这 一电路结构可以导出一个真正的三态缓冲器的 电路，如图 5-18 至 5-20 所示。在图 5-19 中点 a 和 b 之间的连线可以断开。虽然电路变了，但 其功能末变，从而得到图 5-20。 图 5-15 有一边缘敏感部件时的电 路 图 5-14 电荷共享现象 图 5-17 反相缓冲器驱动传输门 图 5-16 有任何异步清除时的电路 和加缓冲器的传输门相比，这个 电路有两个优点：①面积在一定程度 上小了些；②因为在“反相器”沟道 中没有电流，故输入状态改变不再产 生电流尖峰。同样的电路也常作为外 部三态驱动器。三态驱动器压焊盘通 常作为基本的数据库部件，或者作为 门阵的部件提供给设计者，而设计者 通常不能自己用基本的门组成这种 性能的部件。 图 5-18 反相缓冲器驱动传输门 电路 5.8 三态缓冲器用于总线 控制 三态部件允许在 ASIC 中支持含 有多个数据发送器的总线系统(图 5-21)，这样就产生了共享通信资源 的管理问题。这时，总线不容许浮动 或处于高阻抗，并且绝对不能有两个 或多个数据发送器同时接入引起的 竞争。浮动的总线可能位于中间电 压，它将使总线上任一接收器的 n 型 和 p 型晶体管都导通(见图 4-4 中 CMOS 反相器的电流特性)，这将导致接收器通道中电流过大。这就违反 了 CMOS 设计的一般规则——绝不使输入端浮动。争夺总线也是同样严 图 5-19 传输门的演变 图 5-20 三态缓冲驱动器 重的问题。若两个数据发 送器同时试图使总线上一 根线取相反的逻辑值，则 这将使结点上出现不确定 值，并且在两个数据发送 器中的电流过大。由此引 起的问题，上面已经提到过。 图 5-21 多个数据发送器的总线系统 5.8.1 译码器用于总线数据发送器选择 使数据 发送器不受本 地控制是十分重要的。使 用译码器选择总线数据发 送器就消除了总线浮动或 竞争的可能性，在任一时 间只可能选择一个数据发 送器。按照这一原理设计 的典型总线访问系统示于 图 5-22。 图 5-22 典型总线访问系统 图 5-23 译码器状态相“或” 通常， 总线控制译码 器是一个n至 2 n 译码器，因 此，从此译码器引出的信 号线数目应当是大于或等 于总线上数据发送器数目 的 2 的整数幂。总线应当 经常处于“允许”状态， 这可以用将不用的译码器状态 和有效状态相“或”的办法满 足，如图 5-23 所示。 图 5-24 总线上的电容性负载 5.8.2 降低总线负载 若一 总线上有大量的数据 发送器和接收器，则在任一数 据发送器上的电容性负载可能 使性能降低到不能接受的程 度。见图 5-24。 图 5-25 总线的分接 总线上的电容性负载有三 个来源： 接收器的输入电容； 总线布线的电容； 其他数据发送器的电容 (即使它们处于高阻(断)状态)。 增大总线数据发送器的驱 动强度可以克服输入电容和布 线电容问题，但是其他数据发送 器的电容也随着驱动强度而增 大，导致驱动强度反而下降。 另 外还产生一个缺点，即三态驱动 器功率增大要求占用芯片面积 也增大。 解决负载大的问题第一步是把数据发送器和接收器分开接在总 线的两部分上，如图 5-25 所示。数据发送器还可以进一步用访问总线 图 5-26 总线的三态缓冲器分组 图 5-27 通过多路选择器树访问总线 的三态缓冲器分组，如图 5-26 所示。在极端情况下，可以通过多路选 择器树访问总线(图 5-27)。这要求将译码器改进以满足对总线的限制 条件，各控制位分开控制多路选择器树的各级。这样改进的译码器适合 用于控制分段的总线和多路选择器树。 5.9 电 源 ASIC 由一芯片构成，芯片上面有一实现电路功能的区域，以及四 周的压焊盘环，见图 5-28。压焊 盘环可以为硅片提供电源和与外部信 号连接的通路。输入压焊盘必须具有防止外部输入过压的功能，输出压 焊盘必须向外部电路提供足够的电流。此外，在压焊盘环中还有辅助测 试电路。 图 5-28 ASIC 上的电源线和地线 在大多数 ASIC 中， 电 源由两条同心导线引入， 后者构成电源框架。若有 大量的输出压焊盘，并且 载有大电流或同时开关， 则电源框架有可能过载。 结果在地线或电源线上产 生尖峰，引起电路错误或 性能下降，特别是对于混 合(模拟和数字)电路更是 如此。 为了解决这个问题。通常需要插入额外的电源和地线压焊盘。典型 情况是，每 8 个同时开关的输出增加一脚。另一种可以采用的设计原则 是，若可能的话，顺序改变输出，以避免电源出现冲击。例如，这种方 法可以用于控制 7 段显示译码器。