清华大学微电子所 数字集成系统 第四讲

2011-2012《数字VLSI 》第四次课程作业
（一） 请计算P 型树动态逻辑反相器的上拉逻辑努力（g ）和本征延时(p)，并与
NMOS 管驱动能力减半的HI-skew 反相器的上拉逻辑努力与本征延时进行比较。

假设标准反相器的PMOS 和NMOS 尺寸之比为2，自载系数等于1。

（二） 写出下面电路对应的F 关于A ，B 的布尔表达式：
（三） 下图的动态电路中，若预充电节点处的电容为15 f F ， 其余所有内部节点
处的电容均为 10 f F 。

在这个动态电路后面接
一个栅电容为20 f F 的理想反相器，它在V M =
V dd /2 时发生翻转。

问在什么情况下，由于电
荷分享将使动态电路后面连接的反相器错误
翻转？求出此时反相器输入端的电平 Vo （用
V dd 来表示），忽略NMOS 管的阈值损失。

指
出如何才能避免这一问题的发生。

（注意：
动态电路预充电节点处的电容15 f F 不包括后
面所接反相器的栅电容在内。

）。

第二节乘法器（一）乘法器的应用与实现：（1）应用：1. 硬件乘法器可大大提高运算速度，超过软件实现2. 数字信号处理（DSP）相关（Correlation）、滤波（Filtering）卷积（Convolution）、频率（Frequency）3. 与其它运算电路集成，组成功能很强的协处理器（2）实现：1. 求部分积2. 移位3. 相加（3）分类：1. 并行：a）组合阵列b）脉动阵列c ）波茨编码d ）Wallace Tree e ）流水线式2. 串行3. 串并行（4）选择乘法器的原则：1. 速度2. 数据处理量（Throughput ）3. 精度4. 面积（二）组合阵列乘法器（Array Multiplier ）（1）基本原理：称为“部分积”位（点积），共有个，由与门产生。

2)(1010ji j m i n j i y x P +−=−=∑∑=y x j i mn（2）RCA 阵列乘法器结构：RCA 阵列乘法器结构：对位乘法器，共需个半加器（HA ）个全加器（FA ）个与门（AND ）对位乘法器，共需个半加器（HA ）个全加器（FA ）个与门（AND ）n n ×n)2(−n n n 2n m ×nnm mn −−mn（3）设计原则：乘法器存在许多延时几乎相同的关键路径，因此重点放在Adder上，使加法器的Sum和Carry的传输时间相同！传输门实现全加器：“求和”与“进位”时间相同CSA阵列乘法器的实现五种类型单元电路，其中Cell 2、Cell 4、Cell 5 含全加器（FA）Cell 1Cell 2Cell 3Cell 4Cell 5最后求和有可用CPA 故总共有即=n2.结构实现（n=4）（四）改进的波茨编码乘法器（1）原理（基4 波茨编码乘法器）：1. 阵列乘法器的缺点：加法阵列大，运算次数多, 运行速度慢2. 解决关键：减少加法阵列减少部分积的数目每次乘数中取k 位（例如k ＝2）与被乘数相“与”产生部分积（即波茨编码乘数）。

z.wang@3/65微电子学研究所5/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics目前尚未完全清楚: 氧和硅原子间的分子间作用力Where dose H 2O go?Escapes from the interface or remains there?其他微加工技术三维MEMS 结构工艺集成封装键合(Anodic Bonding)硅和含钠玻璃接触后，施加电压和一定温度微电子学研究所11/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics1 2 3 1) How to etch?2) Double-side litho?15/65微电子学研究所Institute o f Microelectronicsbformung (molding)模铸2. 显影4. 金属模6. 脱模Mould cavityResist structurePlastic structure5. 模铸3. 电铸1. 光刻Plastic (moulding compound)Metal Resist structure Electrical conductive base plateBase plateAbsorber structure Maskmembrane Resist 其他微加工技术三维MEMS 工艺集成封装LIGA17/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics其他微加工技术三维MEMS结构工艺集成封装软光刻技术软光刻soft lithography定义：掩膜版为软性材料对比于mask分类微接触印刷PDMSSU －8硅PE 薄膜玻璃玻璃(a)(b)(c)(d)(e)(f)制造并硅烷化母版二氧化硅或光刻胶等在母板上灌注PDMS固化并释放PDMSPDMS 变形下垂粘附衬底压印与热压ResonatorTweezer 镊子体微加工工艺集成P1增加时敏感元件的形状低压腔玻璃基底双膜片结构支承梁压力入口固定梁顶角上方集成电极41/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics其他微加工技术三维MEMS结构工艺集成微加工工艺集成表面微加工工艺集成微电子学研究所Institute o f MicroelectronicsCMOS表面微加工区硅衬底SiN SiO2牺牲层多晶硅结构层(a)填充SiO2，CMP平整(b) (c)刻蚀SiO2，释放结构(d)53/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics59/65微电子学研究所Institute o f Microelectronics其他微加工技术三维MEMS结构工艺集成封装MEMS封装。

LOGIC对扰动不敏感（2）Register寄存器为存放二进制数据的器件，通常由Latch 构成。

一般地，寄存器为边沿触发。

（3）flip-flops（触发器）任何由交叉耦合的门形成的双稳电路Register 时序参数D Q Clk T Clk D tsu Q tc-q thold注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。

2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 11 页Latch 时序参数Latch 的时序（ Timing ）参数还要考虑tD 2 D Q DQtD-qQClkClktC 2QtC 2Q寄存器（Register）2004－12－1锁存器（Latch）第 8 章 (1) 第 12 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德Latch 时序参数D Q Clk正电平 Latch 时钟负边沿T Clk D tc-q PWm thold td-q tsuQ注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。

2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 13 页最高时钟频率φ FF’s LOGIC tp,comb最高时钟频率需要满足：tclk-Q + tplogic+ tsetup < T =但同时需要满足:其中tplogic = tp,comb (max) tcd:污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）第 8 章 (1) 第 14 页tcdreg + tcdlogic > thold =2004－12－1其中清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德研究不同时刻 （t1, t2）FF1φ (t1) LOGIC t p,combφ (t2)CLKt1tsu D tholdFF1 输入数据 应保持稳定t tsuF F2t2holdtFF2 输入数据 应保持稳定tclk-q QFF1 输出数据 经组合逻辑到达 t 已达稳定 寄存器输入端tclk-Qtp,comb (max）tsetup因此要求：tclk-Q + tp,comb (max) + tsetup < T =2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 15 页研究同一时刻 （t1）t1 时FF1φ (t1) LOGIC FF1 t p,combt1 时FF2输入数据（2）φ (t1)输入数据（1）tclk-q QFF1 输出数据 已达稳定经组合逻辑已 到达FF2 输入端破坏了本应保 持的数据（2）tt1tcdregtcdlogicholdsuD输入数据（2）应保持稳定至 t1F F2t因此要求 := tcd: 污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 16 页tcdreg + tcdlogic > thold写入（触发）静态 Latch 的方法：以时钟作为隔离信号, 它区分了“透明” （transparent ）和“不透明” （opaque）状态CLKCLKQ CLKD CLKDD弱反相器CLKMUX 实现弱反相器实现（强制写入）（控制门可仅用NMOS实现）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德第 8 章 (1) 第 17 页Latch 的具体实现基于Mux 的 Latch负（电平） latch (CLK= 0 时透明) 正（电平） latch (CLK= 1 时透明)1 D 0Q D0 1QCLKCLKQ = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In2004－12－1Q = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In第 8 章 (1) 第 18 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德基于（传输门实现的） Mux 的 LatchCLKQ CLK DCLK（1）尺寸设计容易 （2）晶体管数目多（时钟负载因而功耗大）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 19 页基于（传输管实现）Mux 的 Latch（仅NMOS 实现）CLK QM QM CLK CLKCLK仅NMOS 实现不重叠时钟 （Non-overlapping clocks）（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）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 20 页Q单元形式的Latch采用串联电压开关逻辑（CVSL）QNon-overlap时间过长，存储在动态节点上的电荷会泄漏掉（故称伪静态）低电压静态Latch双边沿触发寄存器RS Latch?动态Latch 和Register（1）比静态Latch和Register 简单（2）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）（3）不破坏的读信息：因此需要输入高阻抗的器件传输门构成的动态边沿触发寄存器（只需8 个晶体管，节省功耗和提高性能，甚至可只用NMOS 实现）动态节点。

第五章 CMOS 反相器 第一节 对逻辑门的基本要求（1）鲁棒性（用静态或稳态行为来表示）静态特性常常用电压传输特性（VTC）来表示（即输出与输入的关系）， 传输特性上具有一些重要的特征点。

逻辑门的功能会因制造过程的差异而偏离设计的期望值。

V(y) 电压传输特性（直流工作特性）VOH fV(y)=V(x)VM开关阈值VOL VOL VOHVOH = f(VOL) VOL = f(VOH) VM = f(VM)V(x)额定电平2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第1页（2）噪声容限：芯片内外的噪声会使电路的响应偏离设计的期望值 （电感、电容耦合，电源与地线的噪声）。

一个门对于噪声的敏感程度由噪声容限表示。

可靠性―数字集成电路中的噪声v(t) i(t)V DD电感耦合电容耦合电源线与地线噪声噪声来源： （1）串扰 （2）电源与地线噪声 （3）干扰 （4）失调 应当区分： （1）固定噪声源 （2）比例噪声源 浮空节点比由低阻抗电压源驱动的节点更易受干扰 设计时总的噪声容限分配给所预见的噪声源2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第2页噪声容限（Noise Margin）V“1” V OH V IHout OH 斜率 = -1V不确定区 斜率 = -1ILV “0” VVOLOL V IL V IH V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第3页噪声容限定义"1"噪声容限（Noise Margin） 容许噪声的限度V IH高电平 噪声容限VOHNM H未定义区 低电平 噪声容限V OL "0" NM L V IL抗噪声能力（Noise Immunity） 抑止噪声的能力门输出门输入2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第4页理想逻辑门V outg=∞Ri = ∞ Ro = 0 Fanout = ∞ NMH = NML = VDD/2V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第5页早期的逻辑门5.0 4.0 3.0 2.0 VM 1.0 NM H NM L0.01.02.03.0 V in (V)4.05.02004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第6页（3） “再生”特性：逻辑门的“再生”特性使被干扰的信号能恢复到名义 的逻辑电平。