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为什么插入buffer能够增加驱动能力?

热度 4已有 529 次阅读| 2025-2-6 10:13 |个人分类:数字IC|系统分类:芯片设计

1 buffer是什么?

所谓增加bufferbuffer一般是几级器件尺寸逐步增大的反相器或类似结构的电路,以使得电阻在获得所需的驱动能力时,在功耗延时积上也达到最优。前后级的最佳驱动比例在2.718左右。buffer实际就是两个串联的反相器,常用于时钟路径中,用于增加时钟驱动能力,使得时钟clock具有良好的上升沿和下降沿。时钟buffer本身是输入负载较小,输出驱动能力较强。因此前级电路驱动buffer容易,而buffer驱动后级电路也比较容易。

2 不插buffer会发生什么情况

不插buffer会导致驱动能力不够,通常是两种情况

第一种是输出电流不够,导致信号状态异常,这常常发生在后级电路对输入电流有要求的时候,另一种则是输出电流不够,导致信号上升下降沿太差,这常常发生在后级电路的输入电容较大的情况。


驱动能力强:摆幅大,上升


驱动能力:摆幅下,上升慢 

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                                              图1:不同驱动能力下的时钟翻转情况

3 驱动能力

所谓驱动能力,是指前级电路的输出信号可以使得后级电路有效响应,这个有效的包含两层意思:第一是前级输出信号能被后级电路识别,第二是在规定的时间内被后级电路识别。

应用场景-1:通过插buffer减少负载数量

 如图所示,时钟驱动16个reg时,负载很大,时钟上升很慢,并且时钟摆幅小,此时插入4个buffer。加buffer之前你的时钟直接驱动寄存器或者很多个寄存器。加buffer以后你的时钟只驱动buffer,而你的buffer会去驱动寄存器。时钟buffer本身是输入负载较小,输出驱动能力较强的。而且通常会做成一个时钟buffer网络来驱动设计里面全部的寄存器,并保证整个时钟网络上的信号有很好的transition,以及平衡从时钟源到所有寄存器的insertion delay.寄存器的CK端接在时钟上面, 在时钟上加入buffer是在做时钟树的时候让时钟到每一个寄存器的CK端的SKEW尽可能的小还有增加驱动的功能。(图中的16个寄存器为举例数字,实际IC设计中并不一致。)

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 图 2 :时钟路径buffer插入
应用场景-2:减少连线负载
当数据连线很长时,连线负载电容很大,导致存在很大的延时。此时插入buffer将连线分割成几个连线,每个buffer驱动的负载较小,因此能够有效减少延时,虽然buffer本身也具有延时,但是插buffer减少的连线延时明显大于buffer自身延时就可以采用插buffer的方式。
6  插buffer减少延时的原理:

通过插buffer的方式减少了电路的负载电容,负载电容减少后,同样电压的情况下,对电容充电速度快(上升沿陡峭),同样电容小时存储的电容小,放电所需的时间短(下降沿陡峭)。一句话来说就是: 插buffer的方式减少了电路的负载电容,从而增大了电路驱动能力。


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