天津大学数字集成电路考点

第一章 导线1. 集成电路的导线已经形成复杂的几何形体,引起电容、电阻和电感等寄生参数效应。

∙ 会使传播延时增加，性能下降∙ 会影响功率和能耗的分布∙ 会引起额外的噪声来源，影响电路的可靠性2. 树结构的RC 网络∙ 该电路只有一个输入点(s)∙ 所有的电容都在某个节点与地之间∙ 该电路不包括任何电阻回路（形成树结构）路径电阻：从源节点s 到任何节点i 之间存在唯一的电阻路径，其总电阻称为路径电阻ii R 。

1([()])iii j j j R R R path s i ==⇒∈→∑共享路径电阻表示从个节点到i 及k 两个节点的路径中共享部分的总电阻ik R 。

1([()()])iik j j j R R R path s i path s k ==⇒∈→⋂→∑艾尔默(Elmore)延时：1NDi i ik k C R τ==∑无分支RC 链，即梯形链的艾尔默延时：用路径电阻替换共享路径电阻 1NDN i ii i C R τ==∑3. 导线RC 延时模型理想导线：没有任何附加参数或寄生元件的简单连线。

导线一端的变化会立刻传递到另一端；导线是一个等势区。

集总式RC 模型：导线的电阻部分很小，并且开关频率在低至中间范围；把分布的电容集总为单个电容。

RC τ=分布式RC 模型：导线寄生参数沿导线长度分布；导线寄生参数沿导线长度分布。

222DN RC rcL τ== T 模型和π 模型的艾尔默延时计算。

T2，T3，Pi3模型的延时第二章 CMOS 反相器1. CMOS 静态特性1) 输出摆幅等于电源电压即高电平为VDD ，低电平为GND ，噪声容限大；2) 逻辑电平与器件尺寸无关，所以晶体管可以采用最小尺寸，属于无比例逻辑；3) 稳态时输出与VDD 或者GND 之间总存在一条有限的电阻通路；4) 输入阻抗很高，理论上，单个反相器可以驱动无数个门；5) 稳态时候，电源和地之间没有直接的通路，没有电流存在（忽略漏电流），即该门电路不消耗任何静态功耗。

2. VTC ，参数开关阈值M V : 定义为in out V V = 的点（PMOS 和NMOS 都处于饱和区）。

1DD M rV V r=+，开关阈值取决于r ，它是PMOS 与NMOS 的相对驱动强度比。

M V 相对与器件尺寸比值不敏感。

增大Wp 和Wn 使M V 分别移向VDD 和GND 。

噪声容限：已知IH V 和IL V 是1out indV dV =- 时的点，噪声容限H NM 和L NM 定义为H DD IH NM V V =- ，L IL NM V GND =-。

器件参数对VTC 的影响：1) 工艺的不确定引起开关阈值的平移，好PMOS 差NMOS 右移，好NMOS 差PMOS 左移。

2) 降低电源电压，工作在亚阈值。

3. CMOS 反相器动态特性栅漏电容12gd C ：引起瞬态响应的输出过冲。

负载电容L C ：由内部扩散电容1db C 2db C 、互连线电容w C 和扇出电容3g C 4g C 三部分组成。

反相器的延时分析：如何减小传播延时'30.690.594(/)(/2)L DD L DD pHL DSTn n n DSATn DD Tn DSATn C V C V t I W L k V V V V ==-- 1) 减小L C ：细致的版图设计2) 增加晶体管宽长比/W L ：容易引起扩散电容增加（自载效应）3) 提高VDD ，牺牲能量的损耗来换取性能的提高。

反相器尺寸选择：0(1)ext p p irefC t t SC =+ 0int 0.69p eq t R C =反相器的本征延时与门的尺寸无关；无负载时，增加门的尺寸不能减少延时；有负载时，S 很大时反相器延时趋于本征延时时，增大尺寸便不会有什么改善。

第三章 静态CMOS 组合逻辑1. 基本的电路结构上拉网络PUN 和下拉网络PDN ：PDN 由NMOS 构成；PUN 由PMOS 构成。

因为NMOS 产生“强0”而PMOS 器件产生“强1” NMOS 串联相当于“与”逻辑，PMOS 串联相当于“或”逻辑；NMOS 并联相当于“或”逻辑，PMOS 并联相当于“与”逻辑。

NAND ：两个PMOS 并连，与两个NMOS 串连互补；NOR ：两个PMOS 串连，与两个NMOS 并连互补；OR ：NOR 后接INVERTER2. 复合门设计关于扇入：传播延时在最坏的情况下与扇入数的平方成正比大扇入时的设计技巧：1) 调整晶体管尺寸；只有当负载以扇出电容为主时，才有效果。

逐级加大晶体管尺寸：距输出越近，晶体管尺寸越小。

2) 重新排晶体管的顺序，使关键路径靠近输出端。

3)重构逻辑结构，变换逻辑方程的形式，降低对扇入的要求，从而减少门延时4)在输出端和负载之间插入缓冲链。

3.有比逻辑电路目的：减少实现一个给定逻辑功能所需要的晶体管数目，但经常以降低稳定性和付出额外功耗为代价。

4.差分级联电压开关逻辑静态逻辑：互补NMOS下拉管，交叉连接PMOS上拉管；负载：仅一个PMOS管，具有伪NMOS 优点；差分型：同时要求正反输入，面积大，但在要求互补输出或两个下拉网络能共享时比较有利；DCVSL比通常的CMOS逻辑慢（因Latch 反馈作用有滞后现象，但在特定情况下很快，例如存储器纠错逻辑的XOR 门）；无静态功耗，但有较大的翻转过渡（Cross-over）电流。

5.传输管逻辑传输管逻辑实现的AND门，需要较少的晶体管实现给定的功能通过允许原始输入驱动栅端和源-漏端来减少实现逻辑所需要的晶体管数目。

第四章动态CMOS组合逻辑1.动态逻辑门的两个操作阶段动态逻辑门的工作可以分为两个主要阶段：预充电和求值，处于何种工作模式由时钟信号CLK决定。

预充电：当CLK=0时输出节点out被PMOS管Mp预充电值VDD，NMOS求值管Me关断，下拉路径不工作。

求值：当CLK=1时预充电管Mp关断，求值管Me导通求值。

2.动态门的特点1)逻辑功能仅由PDN实现（紧凑），晶体管数目是N+2（静态CMOS需2N个晶体管），输入电容与伪NMOS逻辑相同2)全摆幅输出(VOL = GND 及VOH = VDD)3)无比逻辑–器件尺寸不影响逻辑电平4)上拉速度改善，下拉时间变慢5)快速的开关速度6)输入只允许在预充电阶段变化，在求值阶段必须保持稳定7)简单的动态CMOS 逻辑级不能串联8)需要预充电/求值时钟9)总功耗通常高于静态CMOS10)噪声容限(NML)小，对噪声敏感11)对漏电敏感12)有电荷分享问题3.动态设计中的信号完整性问题1)电荷泄露：一个动态门的工作取决于输出值在电容上的动态存储。

如果下拉网络关断，那么理想情况下，输出在求值阶段应当维持在预充电状态的VDD。

然而由于存在漏电电流，这一电荷将逐渐泄露掉，最终会使这个门的工作出错。

漏电流来源主要是亚阈值导电和反偏二极管。

解决办法：增加一个泄露晶体管补偿漏电。

2)电荷分享：原先存放在C L 上的电荷由C L和C A重新分布（分享），导致输出电压有所下降，鲁棒性降低。

解决办法：采用时钟驱动的晶体管预充电内部关键节点，代价是增加了面积和功耗。

4.动态门的级联问题简单的动态CMOS逻辑不能级联应用，需要采用多米诺逻辑，一个多米诺（Domino）逻辑块由一个n型动态逻辑块后面接一个静态反相器构成；由于多米诺模块输出由一个低阻抗的静态反相器驱动，提高了抗噪声能力。

多米诺逻辑可以串联，串联的数目取决于在求值的时钟阶段，相串联的各级动态逻辑能来得及一个接一个地求值完毕。

多米诺逻辑的特点：逻辑求值的传播如同多米诺骨牌的倾倒，求值阶段的时间决定了（允许的）逻辑深度；只能实现非反相的逻辑（所有的门均为非反相）；只有一个过渡被优化；门为无比逻辑，但电平恢复电路为有比逻辑；节点必须在预充电期间被预充电（这可能限制了PMOS的最小尺寸）；求值期间，输入必须稳定，对nlogic只能有一个上升的过渡。

速度非常快；增加电平恢复电路可以减少漏电和电荷分享问题。

第五章静态时序逻辑电路两种存储机理：正反馈和基于电荷1.存储单元的实现方法比较利用正反馈：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）双稳态电路：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）触发强度超过反馈环强制驱动（正确设计尺寸）2. 时间参数：1) 建立时间su t ：在时钟翻转（对于正沿触发寄存器为0→ 1翻转）之前数据输入必须有效的时间。

2) 维持时间hold t ：在时钟边沿之后数据输入必须仍然有效的时间。

3) 传播延时clk q t -: 假设建立时间和维持时间都满足要求，输入D 端的数据在最坏情况下的延时clk q t -（相对于时钟边沿）之后被复制到输出端Q 。

3. Latch 和Register锁存器：电平灵敏，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。

最高时钟频率（最小时钟周期）应满足：clk q pcomb su T t t t -≥++ 维持时间需满足：log cdreg cd ic hold t t t +>CLKD写入方法：基于（传输门实现）Mux: 尺寸设计容易，晶体管数目多；弱反相器实现。

主从边沿触发寄存器：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”的主从寄存器只需互换正Latch和负Latch的位置。

4.时钟重叠问题非理想时钟会有时钟重叠现象，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。

解决办法：产生两相不重叠的时钟，但时钟不重迭部分不能太长以免漏电时间过长引起出错。

第六章动态时序逻辑电路1.动态Latch和Register动态传输门边沿触发寄存器：只需8个晶体管，节省功耗和提高性能，甚·至可只用NMOS实现。

动态特点：比静态Latch和Register 简单；基于在寄生电容上存储电荷，由于漏电需要周期刷新（或经常更新数据）；“不破坏地”读信息：因此需要输入高阻抗的器件。