（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于018μm+CMOS工藝的低電壓、低功耗、超高速集成電路設(shè)計(jì)[電路與系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

摘要 摘要 i t 業(yè)在不斷發(fā)展和革新的過(guò)程中，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化、低功耗等幾大特點(diǎn)和發(fā)展 趨勢(shì)。人們需要高速、寬帶的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)互通信息。光纖通信由于其自身的優(yōu)勢(shì)將逐步取代電纜通 信。在光纖傳輸系統(tǒng)中，分接器處于光接收機(jī)的末端，將經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)判決后得到的高速串行信號(hào)轉(zhuǎn)變 為并行的多路低速信號(hào)。因此，分接器是實(shí)現(xiàn)高速通信系統(tǒng)的重要部分，其性能直接影響到最后的 輸出信號(hào)。而在光纖通信及無(wú)線通信系統(tǒng)中，分接器必須由分頻器將高速時(shí)鐘變成低速時(shí)鐘。在此 情況下，超高速的分頻器是工作在最高頻率的電路之一，起著至關(guān)重要的作用。因此隨著c m o s 工藝的進(jìn)步，基于c m o s 工藝的超高速分頻器的設(shè)計(jì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文的主要目標(biāo)是，采用特征頻率僅為4 9 g h z 的0 1 8 1 a mc m o s 工藝，分析、研究并實(shí)現(xiàn)工 作頻率超過(guò)2 0 g h z 的l ：4 超高速分頻電路以及采用相同工藝，分析、研究符合s t m 6 4 ( 9 9 5 2 g b s ) 級(jí)別的低電壓、低功耗1 ：4 分接器，并在下一次m p w 完成投片及測(cè)試工作。為了使電路性能達(dá)到 低電壓、低功耗與超高速的統(tǒng)一，本文采用一種改進(jìn)型共柵結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器?；谠撴i存器， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了超高速1 ：4 分頻器。在片測(cè)試結(jié)果表明：其最高工作速率可達(dá)2 6 g h z 。分頻范圍超過(guò) 2 0 g h z ；封裝后的測(cè)試結(jié)果表明：其最高工作速率達(dá)1 9 6 g h z ，且在預(yù)期的1 0 g h z 工作頻率獲得了 較為理想的輸出信號(hào)。本文同時(shí)采用同種工藝在1 2 v 的電源電壓下完成了l o g b s1 ：4 分接器的仿真 和版圖設(shè)計(jì)，后仿真結(jié)果表明其完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且核心功耗僅為1 0 r o w 。該芯片將于下次m p w 中投片、完成狽4 試。 本論文給出了分接器電路及分頻器電路的基本原理并以電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、芯片測(cè)試的順序 詳細(xì)介紹了電路的設(shè)計(jì)流程及1 ：4 超高速分頻器的測(cè)試結(jié)果。在片測(cè)試及封裝測(cè)試結(jié)果表明，采用 該方案實(shí)現(xiàn)的低電壓、低功耗、超高速分頻器性能優(yōu)良，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為產(chǎn)業(yè)化積累了經(jīng)驗(yàn)， 做出了貢獻(xiàn)。 【關(guān)鍵詞】 光纖通信 分接器( d e m u l t i p l e x e r ) 分頻器( f r e q u e n c yd i v i d e r ) 低功耗 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體( c m o s )動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器 a b s t r a c t a b s t r a c t s e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d s ，s u c ha sn e t w o r k ，d i g i t a l ，i n t e l l i g e n c ea n dl o w p o w e rp r e s e n td u r i n g t h ei n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n to fi ti n d u s t r y h i g hs p e e d ，b r o a db a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka r e r e q u i r e dt oc o m m u n i c a t ei n f o r m a t i o n f o rt h e s er e a s o n , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw i l lg r a d u a l l yr e p l a c e c a b l ec o m m u n i c a t i o n i no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m d e m u l t i p l e x e r ( d e m u x ) i sa 士t h et a i le n do ft h e o p t i c - f i b e rr e c e i v e ld e m u xt r a n s f o r m st h eo n ew a yh i g hs p e e ds e r i a ls i g n a lw h i c hf r o md a t ad e c i s i o nt on ( n 1 ) w a yl o ws p e e dp a r a l l e ls i g n a l t h e r e f o r e , d e m u xi sa ni m p o r t a n tp a r to f h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，i t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c et h el a s to u t p u ts i g n a l s o ，h i g hs p e e dd e m u xc i r c u i ti st h e i n d i s p e n s a b l ek e yc i r c u i ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a d d i t i o n a l l y , s u p e rh i g hs p e e df r e q u e n c yd i v i d e r sa r e w i d e l ya p p l i e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nad e m u x , f r e q u e n c y d i v i d e rc o n v e r t st h eh i g l ls p e e dc l o c kt ot h el o w e rs p e e dc l o c k i nt h ec a s e ，f r e q u e n c yd i v i d e ri so n eo f t h e c i r c u i t sw o r k i n go nt h eh i g h e s tf r e q u e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc m o s p r o c e s s ，d e s i g no fs u p e rh i g h s p e e df r e q u e n c yd i v i d e rb a s e do nc m o sp r o c e s sm a k e sg r e a ts e n s e t h ea r t i c l e sm a i no b j e c t i v ei st oa n a l y z e ，r e s e a r c ha n dr e a l i z eas u p e rh i 曲s p e e df r e q u e n c yd i v i d e r c i r c u i tb a s e do n0 18 9 n ac m o s p r o c e s s ，a n dt h ec i r c u i t sw o r kr a t ei so v e r2 0 g h z a n db a s e do nt h eg a m e p r o c e s s ，a n a l y z e ，r e s e a r c hal o wv o l t a g e ，l o wp o w e r1 ：4d e m u xa p p l y i n gf o rs t m - 6 4 t h ec h i pw i l lb es e n t t of o u n d r yi nt h en e x tm p wp r o j e c t , a n ds u b s e q u e n t l yb et e s t e do nw a f e r s i n c et h es t a n d a r dv o l t a g ei n o 1 8 _ t mc m o sp r o c e s si s1 8 v , a n d 工i s4 9 g h z , i n1 2 v , t r a d i t i o n a lc i r c u i ts t r u c t u r e sa r eh a r dt ow o r k u pt o10 g b s ，s i m i l a r l y , t h et r a d i t i o n a lo n e si n1 8 vp o w e rs u p p l ya r eh a r dt ow o r ku pt o2 0 g h z i no r d e r t oa c h i e v et h eu n i f i c a t i o no fl o wv o l t a g e ，l o wp o w e ra n ds u p e rh i g hs p e e d ，t h ea r t i c l ea p p l i e sa ni m p r o v e d c o m m o n - g a t es t r u c t u r ed y n a m i cl o a dl a t c h b a s e do nt h i sl a t c h d e s i g na n dr e a l i z ea1 ：4s u p e rh i g hs p e e d f r e q u e n c yd i v i d e ri nt s m c0 18 9 mc m o sp r o c e s s o n - w a f e re x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wi t sh i g h e s tw o r k r a t ec a nb eu pt o2 6 g h z ，a n di t sw o r kr a n g ei so v e r2 0 g h z ；p a c k a g ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ec h i p c a nw o r ku pt o1 9 6 g h za n dp e r f o r m sw e l li n1 0 g h zw h i c hi st h ed e s k e dw o r kr a t e t h ea r t i c l ea l s o a c c o m p l i s h e st h es i m u l a t i o na n dl a y o u td e s i g no fa1 2 v1 0 g b s1 0 m w1 ：4d e m u xb a s e dt h es a m e p r o c e s s ，t h ec h i pw i l lb es e a tt of o u n d r yi nt h en e x tm p wp r o j e c t , a n ds u b s e q u e n t l yb et e s t e do nw a f e r t h ea r t i c l ep r e s e n t st h eb a s i cp r i n c i p l eo fd e m u xa n df r e q u e n c yd i v i d e ga n dd e s c r i b e st h ed e s i g n f l o wi nd e t a i lb yt h es e q u e n c eo f c i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g na n dc h i pt e s t f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e st h et e s t r e s u l t so ft h e1 ：4s u p e rh i g hs p e e df r e q u e n c yd i v i d e r t h eo n - w a f e ra n dp a c k a g em e a s u r e m e n tr e s u l t so f t h ec h i p s e ts h o wt h a tt h el o wv o l l a g e ，l o wp o w e r , s u p e rh i 曲s p e e df r e q u e n c yd i v i d e rw o r k sw e l la n d t o t a l l ym e e tt h et a s ko f t h ed e s i g n t h ec h i ph a st h eb r i g h tf u t u r ei ni n d u s t r i a l i z a t i o n k e y w o r d s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e m u l t i p l e x e rf r e q u e n c yd i v i d e r l o w p o w e r c m o s d y n a m i ci o a d1 a t c h - i i - 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)麗使用 過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明 并表示了謝意。 研究生簽名目期： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書(shū)館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的 復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi) 容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可 以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研 究生院辦理。 日期： 斗 第一章緒論 1 1 光纖通信系統(tǒng) 1 1 1 光纖通信簡(jiǎn)介 第一章緒論 光通信，顧名思義即是利用光波載送信息來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。光實(shí)質(zhì)上是頻率極高的電磁波( 3x1 0 ”h z 以上) ，因而用它作為載波進(jìn)行通訊，容量很大，是現(xiàn)有其他通訊方式的萬(wàn)倍以上，具有極大的吸 引力。光纖通信就是以光波作為信息載體，光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的一種先進(jìn)通信手段。它與以往 的通信方式相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)1 1 1 - 2 j ： ( 1 ) 頻帶寬、通信容量大?，F(xiàn)行電纜通信工作頻率為1 0 5 1 0 8 h z ：微波通信工作頻率在1 0 9 h z 左 右；光纖通信的現(xiàn)行工作頻率( 光波載頻) 在1 0 “h z 左右。網(wǎng)此，光纖通信的帶寬與通信容量比微 波通信高1 0 萬(wàn)倍，與同軸電纜通信相比更是高達(dá)1 0 0 萬(wàn)倍。而在光纖通信中，光頻尚有巨大的帶 寬與容量有待于開(kāi)發(fā)利用： ( 2 ) 安全可靠、保密性強(qiáng)。到目前為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能竊聽(tīng)光纜中傳輸?shù)墓庑畔⒌氖侄?，特別適用 于軍事保密通信以及國(guó)家安全機(jī)要部門內(nèi)部通信與重要經(jīng)濟(jì)信息的保密傳輸； ( 3 ) 體積小、重量輕、可繞性強(qiáng)。外徑1 2 5 u m 的一根l k m 長(zhǎng)光纖重量?jī)H有2 9 克，比有色金屬銅 線輕得多，并且敷設(shè)也比銅線簡(jiǎn)單： ( 4 ) 輸入與輸出之間電隔離。能抗電磁干擾，防閃電雷擊。特別適用于鐵路、電力、廠礦等電磁 干擾嚴(yán)重的環(huán)境，也適合電子計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，電視傳輸以及飛機(jī)、導(dǎo)彈等要求防電磁干擾的通信、 傳輸和控制系統(tǒng)： ( 5 ) 抗腐蝕、抗酸堿。光纜可直接埋在地下，特別適合化工企業(yè)的內(nèi)部及惡劣環(huán)境下的通信； ( 6 ) 傳輸損耗低，適用于長(zhǎng)途傳輸。對(duì)于現(xiàn)已成熟的以硅玻璃( s i 0 2 ) 為基質(zhì)材料的光纖，工作波 長(zhǎng)在o 8 5 1 5 5 u n 之間其低損耗窗口損耗可減至o 2 d b k m ，工作帶寬可達(dá)1 0 0 g h z 以上，無(wú)中繼 傳輸距離達(dá)1 0 0 k i n 以上：而對(duì)于同軸電纜通信，在1 0 0 m h z 工作時(shí)最佳損耗值高達(dá)7 5 d b k m ，無(wú)中 繼距離僅在5 k m 左右； ( 7 ) 資源豐富，可節(jié)省大量有色金屬。目前制作光纖的原料是二氧化硅( s i 0 2 ) ，此種材料在地球 上極其豐富。硅提純技術(shù)的進(jìn)步，使得可以生產(chǎn)出硅材料的兩大類產(chǎn)品：光導(dǎo)纖維和集成電路。光 導(dǎo)纖維的造價(jià)下降迅速，一公斤極純的石英玻璃可拉制1 0 0 k i n 以上長(zhǎng)度的光纖。而1 0 0 k i n 長(zhǎng)度的 1 8 0 0 路同軸電纜則需銅t 5 0 噸、鉛5 0 0 噸。 ( 8 ) 節(jié)省能源。制造1 0 0 0 公里光纖比制造相同長(zhǎng)度同軸電纜可節(jié)省約2 6 0 億干焦( 6 3 億大卡) 能 量，這相當(dāng)于9 0 0 噸煤完全燃燒產(chǎn)生的能量； 隨著電信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、i n t e m e t 隨絡(luò)的迅猛發(fā)展，多媒體通信的廣泛應(yīng)用以及信息高速公路 的大規(guī)模建設(shè)，人們對(duì)高速度的通信系統(tǒng)需求越來(lái)越高。為了滿足這一需求，高速光纖通信系統(tǒng)已 經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。光纜遍布全球，6 2 2 m b i t s 高速、2 5 g b s 超高速光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。且 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 前，世界各國(guó)都投入了極大的入力和物力來(lái)研制更高速率( 例如1 0 g b s ) 的光纖通信系統(tǒng)。因此 研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速光纖通信集成電路具有重大的意義和良好的市場(chǎng)前景。 1 1 2 光纖傳輸系統(tǒng)”_ 3 】 光纖通信系統(tǒng)的原理框圖如圖1 1 所示。在圖中，左邊的三個(gè)模塊為發(fā)送端的組成部分。其中， 復(fù)接器( m u x ：m u l t i p l e x e r ) 將n 路低速信號(hào)復(fù)接成一路高速信號(hào)，激光驅(qū)動(dòng)器m dd r i v e r ) 驅(qū)動(dòng)激光二 極管( l d ：l a s e rd i o d e ) 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后通過(guò)光纖傳輸：圖右側(cè)的六個(gè)模塊為接收端的組成 部分。其中，光信號(hào)由光電二極管f p d ：p h o t o nd i o d e ) 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)放大器 ( p r e _ a m p i l f i e r ) 和主放大器( a m p ：m a i n a m p l i f i e r ) 放大后，由時(shí)鐘恢復(fù)電路( c l o c kr e c o v e r y ) n 數(shù)據(jù)判 決電路( d a t ad e c i s i o n ) 分別從中恢復(fù)出時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，最后由分接器( d e m u x ：d e m u t t i p l e x e r ) 將高速數(shù)據(jù)信號(hào)還原成原始的n 路低速信號(hào)。圖中，由淺色背景標(biāo)示的d e m u x 模塊為本文的設(shè)計(jì) 課題之一。 圖1 1 光纖通信系統(tǒng)原理框圖 隨著光纖通信的發(fā)展，作為數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的同步數(shù)字體系( s ”c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ，簡(jiǎn)稱s d h ) 得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。s d h 是從美國(guó)的光接口標(biāo)準(zhǔn)s o n e t 演化而來(lái)，對(duì) s o n e t 經(jīng)過(guò)修改后，s d h 已經(jīng)被c c i t t ( 現(xiàn)在的 t u t ) 采用作為全球傳輸標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止， s d h 最基本的硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到定義。s d h 系統(tǒng)用作干線通信已經(jīng)成為世界各國(guó)發(fā)展的趨 勢(shì)。c c i t t 建議中定義了一系列s d h 的基本傳輸速率，其中最基本的傳輸速率為s t m 一1 ，它的比 特率是1 5 5 5 2 m b s 。更高速率的s t m - n 信號(hào)是通過(guò)n 個(gè)s t m 1 的數(shù)據(jù)交錯(cuò)獲得的。由c c i t t 標(biāo) 準(zhǔn)化了的n 值有1 ，4 ，1 6 和6 4 ，它們各自對(duì)應(yīng)的比特率如表1 - 1 所示。作為比較，表中還列出 了由a n s i 標(biāo)準(zhǔn)化了的s o n e t 的比特率。目前，s t m 1 6 級(jí)的s d h 系統(tǒng)己成為我國(guó)干線通信的主 流，并且朝著s t m 6 4 的速率發(fā)展。 第一章緒論 表1 - 1s d h s o n e t 的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) s d hs o n e t 系列 比特率( m b s ) 系列 比特率( m b s ) s t s l l5 1 8 4 0 s t m - 11 5 5 5 2 0s t s 31 5 5 5 2 0 s t s - 94 6 6 5 6 0 s t m - 46 2 2 0 8 0s t s 1 26 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 ，1 2 0 s t s 2 41 2 4 4 1 6 0 s 田1 6 2 4 8 8 3 2 0s t s 4 82 4 8 8 3 2 0 s t s 9 64 9 7 6 6 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0s t s 一1 9 29 9 5 3 2 8 0 1 2 工藝選擇 信息量的爆炸式增長(zhǎng)導(dǎo)致人們對(duì)高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的迫切需求。w a n 與l a n 的傳輸媒質(zhì)已從原 來(lái)的銅線轉(zhuǎn)變?yōu)楣饧u，這種轉(zhuǎn)變也促使電路設(shè)計(jì)向低功耗、低成本集成光纖接收機(jī)方向發(fā)展。低功 耗、低成本是i c 發(fā)展的必然趨勢(shì)。 本文研究的內(nèi)容正是低電壓、低功耗、超高速集成電路( 工作速率超過(guò)2 0 g h z 的1 ：4 分頻器以 及1 2 v1 0 g b s 的1 ：4 分接器) 的設(shè)計(jì)。選擇適合的工藝是成功完成超高速電路設(shè)計(jì)的前提和保證。 在光纖通信系統(tǒng)中，各種半導(dǎo)體材料均可找到它們的應(yīng)用領(lǐng)域。在這些材料中，硅( s i ) 、砷化鎵 ( g a a s ) 、磷化銦( i n p ) 是最基本、最重要的三類。在這三種材料的襯底上可以制造更復(fù)雜的材質(zhì) 系統(tǒng)，生產(chǎn)不同的固態(tài)器件和集成電路。表1 2 定性給出幾種常見(jiàn)工藝。 表1 2 集成電路工藝與晶體管類型 晶體管類型 材料 雙極型晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 混合 工藝類型 ( b i p o l a r ) ( f e t )類型 硅b j t i v 族 m o s f e t , j f e t b i c m o s b u l l s o i 鍺 s i ，s j g eh b t i i i v 族砷化鎵 h b t m e s f e t , h e m t 化合物磷化銦 ( a 1 g a a s g a a s ) 而本文采用的是硅材料，因此下面對(duì)材料硅的特性和應(yīng)用加以論述。 硅是現(xiàn)代電子器件和計(jì)算機(jī)工業(yè)的基礎(chǔ)。在過(guò)去4 0 年問(wèn)，利用硅作為基本材料的很多技術(shù)已 經(jīng)得到發(fā)展并逐漸成熟起來(lái)。它們包括：雙極性結(jié)型晶體管( b 盯) 、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管( j f e t ) 、p 型、n 型、互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管( p m o s ，n m o s ，c m o s ) ，以及雙極性型c m o $ 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( b i c m o s ) 。 在硅圓片直徑不斷增加的同時(shí)( 6 英寸，8 英寸，1 2 英寸) ，一個(gè)單片集成電路包含的晶體管數(shù) 目及其工作速率也在不斷提高。 由于原材料便宜，生產(chǎn)技術(shù)成熟，生產(chǎn)價(jià)格低廉，硅集成電路己成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的主流。現(xiàn) 在9 0 以上的集成電路制造市場(chǎng)都由硅所占據(jù)。在硅工藝中，雙極性硅技術(shù)可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)信 號(hào)處理速率，利用0 4 p m 的雙極性硅工藝的一個(gè)中等規(guī)模集成電路的工作速率已經(jīng)超過(guò)了5 0 g b s 。 以往的高速率集成電路大多采用雙極性硅工藝實(shí)現(xiàn)，但是隨著c m o s 工藝向著亞微米和深亞微米方 向發(fā)展，其電路工作速率上限已逐漸接近砷化鎵和雙極性硅電路的常規(guī)工作速率，利用深亞微米工 藝，已可以實(shí)現(xiàn)工作速率在g b i t s 以上的電路。 i i i v 族工藝( 如g a a s ) 和雙極性硅等工藝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)超高速的芯片，但相對(duì)于c m o s 而言它 有不可克服的缺點(diǎn)：功耗大、不能大規(guī)模集成。從實(shí)際工程的角度來(lái)看，一般的集成電路設(shè)計(jì)單位 很難獲得這些工藝的加工服務(wù)，即使有，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。 b i c m o s 綜合了雙極性硅的高速和c m o s 的可集成度高這兩方面的優(yōu)點(diǎn)，但是從實(shí)際工程的角 度來(lái)看，它有三大缺點(diǎn)：一是價(jià)格高于c m o s ，二是工藝同樣難以獲得，三是其中的c m o s 工藝總 是落后于標(biāo)準(zhǔn)c m o s 工藝的發(fā)展進(jìn)程，有時(shí)很難滿足設(shè)計(jì)需要。 實(shí)際上，對(duì)于數(shù)字集成電路，采用c m o s 工藝設(shè)計(jì)最為理想。這是因?yàn)椋阂?，c m o s 工藝容易 獲得。國(guó)內(nèi)有華晶、華虹、先進(jìn)等半導(dǎo)體工藝廠商可以提供加工服務(wù)；美國(guó)m o s l s 向全世界提供 多目標(biāo)芯片服務(wù)；臺(tái)積電t s m c 也支持多項(xiàng)目晶圓服務(wù)，其提供的最先進(jìn)的c m o s 工藝已經(jīng)達(dá)到 o 1 3 j _ t m 的水平；歐洲也有類似的組織如e u r o p r a c t i c e 提供多目標(biāo)芯片的服務(wù)。二，c m o s 流片成本 比其它工藝低。三，c m o s 電路功耗小，集成度高。眾所周知，功能復(fù)雜的數(shù)字電路，其電路規(guī)模 一般都較大。而在集成度方面，c m o s 有著g a a s 、雙極性硅等工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 1 3 設(shè)計(jì)流程 模擬集成電路的設(shè)計(jì)并不是工序的簡(jiǎn)單堆砌，若想得到滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，必須遵循縝密的流程。 特別對(duì)于超高速模擬集成電路來(lái)說(shuō)，特定的設(shè)計(jì)流程顯得更為重要。圖】2 展示的為本文所采用的 設(shè)計(jì)流程： ( 1 ) 首先是系統(tǒng)定義，比如芯片的工作速率，功耗，電源電壓及模塊的接口電平，等等。這一步 通常由芯片的需要者來(lái)定義。 ( 2 ) 知曉了系統(tǒng)定義之后，應(yīng)該著手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行方案論證。經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的文獻(xiàn)搜索整理和調(diào)研，確 定用何種電路結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。 ( 3 ) 在確定了合適的工藝之后，應(yīng)和工藝廠商聯(lián)系并獲取精準(zhǔn)的器件模型。沒(méi)有與所用工藝配套 的精確器件模型，就無(wú)法對(duì)實(shí)際的電路性能作出準(zhǔn)確的仿真預(yù)測(cè)。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有可能相去 甚遠(yuǎn)，增加芯片設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)性。 ( 4 ) 電路設(shè)計(jì)仿真，一般也稱之為前仿真，是在電路設(shè)計(jì)e d a 軟件( 如s m a r t s p i c e 、h s p i c e ) 的 幫助下對(duì)電路器件的參數(shù)進(jìn)行精心的調(diào)試和優(yōu)化。當(dāng)然，參數(shù)的調(diào)試是建立在對(duì)電路的正確理解以 4 第一章緒論 及對(duì)結(jié)構(gòu)特性的把握之上的。若只是無(wú)謂的嘗試數(shù)據(jù)，不僅效率低下，也有可能打擊電路設(shè)計(jì)者的 信心。不可否認(rèn)，這一階段的工作表面上看起來(lái)是很枯燥的，需要設(shè)計(jì)者持之以恒并輔之以靈感。 ( 5 ) 在前仿真達(dá)成指標(biāo)之后即進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。這是對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的器件的物理實(shí)現(xiàn)。在版圖設(shè)計(jì) 中要充分考慮到各種效應(yīng)對(duì)電路產(chǎn)生的影響，進(jìn)行合理的布局和優(yōu)化。版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行設(shè) 計(jì)規(guī)則校驗(yàn)( d r c ) 、版圖電路圖對(duì)照( l v s ) 和寄生參數(shù)提取( l p e ) 等步驟。 ( 6 ) 后仿真。在版圖設(shè)計(jì)完成之后，由版圖設(shè)計(jì)軟件提取出版圖的帶有寄生參數(shù)的器件數(shù)據(jù)，根 據(jù)軟件的不同可以在工作站進(jìn)行后仿真或是下載到本地機(jī)進(jìn)行后仿真。后仿真的結(jié)果和最終測(cè)試的 結(jié)果往往比較接近，因此也是最能反映問(wèn)題的一次仿真。若仿真的結(jié)果偏離實(shí)際需要，應(yīng)分析原因 并找出解決方法。如前仿真中參數(shù)選擇不合適或是版圖的原因，則需重新進(jìn)行前仿真和版圖設(shè)計(jì)， 直到后仿真滿足設(shè)計(jì)要求。 ( 7 ) 芯片制造。在后仿真滿足設(shè)計(jì)要求之后，將版圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為g d s i i 格式，交付芯片制造商流片。 ( 8 ) 芯片測(cè)試。根據(jù)之前定義的測(cè)試方案搭建合適的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。記錄測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行結(jié) 果分析，以期對(duì)今后的設(shè)計(jì)和流片有所幫助。 圖1 2 集成電路設(shè)計(jì)流程 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 論文組織 本論文的研究?jī)?nèi)容是利用易獲取、集成度高、低成本和低功耗的o 1 8 叫l(wèi)c m o s 工藝，分析、 研究并實(shí)現(xiàn)工作速率超過(guò)2 0 g h z 的1 ：4 超高速分頻電路，以及采用相同工藝，分析、研究符合s t m 6 4 ( 9 9 5 2 g b s ) 級(jí)別的1 2 v 、低功耗1 ：4 分接器，并在下一次m p w 完成投片及測(cè)試工作。 第二章介紹超高速l ：4 分頻器的電路設(shè)計(jì)，其中分析比較了多種鎖存器的結(jié)構(gòu)，并對(duì)各模塊電 路進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。 第三章介紹1 ：4 分接器的電路設(shè)計(jì)。首先闡述了復(fù)用技術(shù)的原理及分接器的基本結(jié)構(gòu)，接著介 紹了c m o s 邏輯電路及觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，隨后分別對(duì)各模塊及接口電路進(jìn)行了分析。 第四章介紹版圖設(shè)計(jì)。首先介紹了版圖設(shè)計(jì)引入的效應(yīng)及設(shè)計(jì)時(shí)須注意的要點(diǎn)，接著專門分析 了焊盤的模型并做出了改進(jìn)。隨后分別以1 ：4 分頻器及1 ：4 分接器為例介紹如何設(shè)計(jì)低電壓超高速 電路的版圖。最后給出了版圖設(shè)計(jì)時(shí)常用的服務(wù)器指令。 第五章介紹芯片測(cè)試及結(jié)果分析。介紹了l ：4 分頻器的在片測(cè)試結(jié)果及封裝測(cè)試結(jié)果，并分別 給出了結(jié)果分析。 第六章為全文的結(jié)論。 參考文獻(xiàn) 【1 紀(jì)越峰趙榮華顧畹儀李國(guó)瑞“光纖數(shù)字通信實(shí)用基礎(chǔ)”科學(xué)文獻(xiàn)技術(shù)出版社 2 趙梓森等中國(guó)通信學(xué)會(huì)主編“光纖通信工程( 修訂本) ”人民郵電出版社 3 】王志功編著，“光纖通信集成電路設(shè)計(jì)”，高等教育出版社，2 0 0 3 年6 月 6 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計(jì) 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計(jì) 本文的目標(biāo)之一是采用o 1 8 9 r n c m o s 標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)工作速率超過(guò)2 0 g h z 的1 ：4 超高速分頻器。 通常，分頻器有兩種構(gòu)成方式：由觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字分頻器和注入鎖定的模擬分頻器。這兩種分頻 器都有著較為廣泛的應(yīng)用，這里將對(duì)這兩種類型的分頻器進(jìn)行分析，通過(guò)比較決定所采用的分頻器 結(jié)構(gòu)。 注入鎖定分頻系統(tǒng)o 1 1 注入鎖定分頻系統(tǒng)的框圖如圖2 1 所示。其工作原理：輸入信號(hào)和輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器混頻后 產(chǎn)生上、下邊帶信號(hào)，赫。，再經(jīng)過(guò)低通濾波器后就只有低頻的矗一，經(jīng)過(guò)放大器放大后輸出。 只要設(shè)計(jì)電路使其滿足矗一虧，即可產(chǎn)生厶。= 矗2 。 圖2 1 注入鎖定分頻系統(tǒng) 該分頻系統(tǒng)具有輸出時(shí)鐘穩(wěn)定，失調(diào)量小的特點(diǎn)，用于對(duì)輸出時(shí)鐘要求較高的場(chǎng)合。利用這種 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高速的分頻器設(shè)計(jì)【2 “。但是這種分頻器的結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，功耗偏大。如果為 了減小功耗而采用l c 諧振的方法設(shè)計(jì)，會(huì)涉及到電感這一不太容易實(shí)現(xiàn)的器件。而在c m o s 工藝 中，既使實(shí)現(xiàn)了其感值，q 值也不理想。因此，如果對(duì)器件模型沒(méi)有精確的把握，設(shè)計(jì)得到的芯片 往往不能實(shí)現(xiàn)理想的功能。 鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分頻器 由鎖存器( l a t c h ) 構(gòu)成的數(shù)字分頻器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要借助電感這一比較難實(shí)現(xiàn)的器件。 而且功耗相對(duì)較低，可分頻范圍較大，在實(shí)際系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分頻器如 圖2 2 所示。c l k 、c l k n 為一對(duì)差分輸入信號(hào)，q 、q n 為差分輸出信號(hào)，且其頻率為輸入信號(hào)的 一半，實(shí)現(xiàn)二分頻的功能。 c l k c l k n 圖2 2 鎖存器構(gòu)成的分頻器框圖 通過(guò)對(duì)上述兩種分頻器類型的分析比較，本次設(shè)計(jì)采用的分頻器結(jié)構(gòu)是由鎖存器構(gòu)成的數(shù)字分 頻器。在決定了類型之后，鎖存器的選擇變得很關(guān)鍵，下文將對(duì)鎖存器展開(kāi)論述。 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 觸發(fā)器與鎖存器 論及鎖存器( l a t c h ) ，不得不提到觸發(fā)器( f l i p f l o p ) ，這是兩個(gè)經(jīng)常在一起出現(xiàn)而往往會(huì)被混 淆的概念。這兩者的區(qū)別在于：觸發(fā)器以邊沿觸發(fā)方式工作，而鎖存器以電平觸發(fā)方式工作。圖2 3 從時(shí)序上給出了觸發(fā)器和鎖存器的區(qū)別。電平觸發(fā)會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)( r a c e ) ，從而產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。而邊 沿觸發(fā)則不存在這個(gè)問(wèn)題。因此實(shí)際系統(tǒng)中一般使用觸發(fā)器。兩個(gè)鎖存器串聯(lián)，時(shí)鐘反相，可以構(gòu) 成主從結(jié)構(gòu)( m a s t e r - s l a v e ) 的觸發(fā)器。實(shí)際系統(tǒng)中的觸發(fā)器通常由鎖存器構(gòu)成，因此由觸發(fā)器構(gòu)成 的分頻器的基本單元就是鎖存器， c 儂 d q c 肷 d o 圖2 3 ( a ) 鎖存器時(shí)序( b ) 觸發(fā)器時(shí)序 主從結(jié)構(gòu)( m a s t e r - s l a v e ) 實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)器：如圖2 4 ( a ) 所示。它的工作原理分兩個(gè)節(jié)拍：一，在 時(shí)鐘的前半個(gè)周期，主鎖存器在低電平( 或高電平) 時(shí)采樣輸入數(shù)據(jù)從鎖存器維持上個(gè)周期的輸 出；二，在時(shí)鐘的下半周期，主鎖存器不接收輸入信號(hào)，維持前半個(gè)周期所采樣的信號(hào)值，從鎖存 器采樣主鎖存器的輸出，改變輸出信號(hào)值。主從結(jié)構(gòu)在整體上表現(xiàn)出來(lái)的性能為觸發(fā)器在時(shí)鐘的上 升沿( 或者下降沿) 對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并且翻轉(zhuǎn)，輸出新信號(hào)值，解決了競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。由于兩級(jí) 串聯(lián)的鎖存器均有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)的特性，因此主從結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器還可毗用于數(shù)據(jù)恢復(fù)。在本文的 分接器的設(shè)計(jì)中采用圖2 4 ( a ) 主從結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器。 脈沖觸發(fā)( p u l s e - t r i g g e r e d ) 實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)器：結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2 4 ( b ) ，它的工作原理是減小用于觸發(fā)的 時(shí)鐘寬度，保證在時(shí)鐘工作的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，從而避免競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生。 m a s t e r - l a t c h s a v e - l a t c h 圖2 4 ( a ) 主從d 觸發(fā)器 g e n e r a t e r ( b ) 脈沖觸發(fā)d 觸發(fā)器 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計(jì) 鎖存器按照其保持和采樣單元m o s 管的柵寬之比( w t t o l d ，w s 。d k ) 可分為動(dòng)態(tài)鎖存器和靜態(tài)鎖 存器。一般認(rèn)為，在相同輸入信號(hào)幅度的條件下，靜態(tài)鎖存器( w h o 】g w s k 1 ) 的工作頻率可以 涵蓋較寬的范圍，但其最高工作頻率較低 2 3 1 ：隨著柵寬之比的降低，鎖存器的最高工作頻率提高， 但工作范圍變窄，即為動(dòng)態(tài)鎖存器。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，并不刻意區(qū)分動(dòng)態(tài)鎖存器和靜 態(tài)鎖存器?？梢钥闯?，最高可分頻速率與最大可分頻范圍不可兼得，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要與系統(tǒng)指 標(biāo)，在最高工作頻率與工作范圍之間進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到兩者性能的最優(yōu)化。由靜態(tài)鎖存器構(gòu)成的分 頻器即為靜態(tài)分頻器，由動(dòng)態(tài)鎖存器構(gòu)成的分頻器即為動(dòng)態(tài)分頻器，兩種分頻器與兩種鎖存器有類 似的特點(diǎn)。一般，動(dòng)態(tài)分頻器的最高速率比靜態(tài)分頻器提高約4 0 。本文設(shè)計(jì)的分頻器屬于動(dòng)態(tài)分 頻器。 2 2 鎖存器的選擇 鎖存器，作為電路設(shè)計(jì)中的基本單元，其結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)被廣為研究。為了能實(shí)現(xiàn)低電壓低 功耗超高速的應(yīng)用，有必要對(duì)鎖存器的諸多結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及精心選擇。下文將逐一介紹有代表性的 幾種鎖存器結(jié)構(gòu)。 2 2 1 源極耦合邏輯( s c f l ) 鎖存器 通常，超高速分頻器采用s c f l 邏輯實(shí)現(xiàn)的居多口，電路如圖2 5 所示。s c f l 邏輯包括三個(gè) 差動(dòng)電流開(kāi)關(guān)，分別是n m i 、n m 2 ，n m 3 、n m 4 ，n m 5 、n m 6 。由r l 、r 2 組成的負(fù)載電路將邏 輯組合輸出電流變換為電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)邏輯非的功能。s c f l 鎖存器輸出q = d i c k + q c k n ， 可見(jiàn)當(dāng)時(shí)鐘為正半周( c k = i ，c k n = 0 ) 時(shí)，q = d i ，s c f l 鎖存器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并輸出該采 樣值；時(shí)鐘進(jìn)入負(fù)半周( c k = 0 ，c k n = i ) 后，q = q ，s c f l 鎖存器保持采樣值直到下一采樣時(shí)刻( 時(shí) 鐘正半周) 。 s c f l 邏輯的電路速度正比于充放電電流大小，反比于信號(hào)的電壓擺幅，擺幅由等效負(fù)載電阻 和偏置電流決定。由于該邏輯可以工作在輸入信號(hào)擺幅比較低的情況下，因此電路速度較其他邏輯 快。其特點(diǎn)是采用差分結(jié)構(gòu)，電路中存在成對(duì)的電路單元、信號(hào)線和終端，通常結(jié)構(gòu)對(duì)稱，信號(hào)相 位相反或互補(bǔ)；對(duì)共模的噪聲和干擾有很強(qiáng)的抑制作用，因此具有高穩(wěn)定性；由于差分線路電磁場(chǎng) 集中于線路之間，對(duì)外界的影響很??；此外，s c f l 邏輯還具有可重復(fù)性、芯片成品率高、靈敏度 高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、能夠和c m l 、p c m l 、e c l 、p e c l 等各種高速電路的接口兼容的優(yōu)點(diǎn)。但這種 邏輯電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的晶體管數(shù)量多，占用的芯片面積大，功耗較高，需要一對(duì)互補(bǔ)時(shí)鐘。因 此存在時(shí)鐘歪斜的問(wèn)題，即使保持物理結(jié)構(gòu)( 版圖) 完全對(duì)稱的情況f 也會(huì)因?yàn)殡娞匦缘牟粚?duì)稱而 造成電路的不匹配。另外，其堆疊結(jié)構(gòu)需要較高的供電電壓。 隨著c m o s 晶體管的特征尺寸( f e a t u r es i z e ) 按比例減小( s c a l i n gd o w n ) ，電源電壓也適當(dāng)?shù)?按比例減小。低電源電壓能節(jié)省功耗，然而它也使得這種層數(shù)比較多的s c f l 鎖存器結(jié)構(gòu)的電壓分 配變得比較困難。這是因?yàn)殡娫措妷嚎梢园幢壤郎p小，閾值電壓雖然也隨著工藝的進(jìn)步而減小，但 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 是并不能按相應(yīng)的比例減小。閾值電壓減小的程度比電源電壓減小的程度要小的現(xiàn)狀就導(dǎo)致了這種 s c f l 鎖存器中電壓分配困難的問(wèn)題。因此，這種結(jié)構(gòu)的高速優(yōu)勢(shì)隨著電源電壓的降低而顯著下降。 在0 1 8 w nc m o s 工藝中，電源電壓1 8 v ，不考慮體效應(yīng)時(shí)，n m o s 管的閾值電壓約為o 4 8 v 。圖 2 5 所示的鎖存器，其電路有三層之多，要保證每個(gè)晶體管的工作狀態(tài)正確比較困難。此時(shí)，對(duì)電 路速度的優(yōu)化的難度也大。 因此，該結(jié)構(gòu)不適用于低電源電壓下的超高速分頻器設(shè)計(jì)。 圖2 5s c f l 邏輯鎖存器 2 。2 。2 偽差分( p s e u d o d i f f e r e n t i a ll a t c h ) 鎖存器 偽差分鎖存器【25 】是為了解決上文分析的s c f l 鎖存器在低電源電壓下存在的問(wèn)題而提出的一種 鎖存器結(jié)構(gòu)。 偽差分鎖存器電路如圖2 6 所示。該鎖存器包括一對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)輸入、一對(duì)差分時(shí)鐘輸入和一對(duì) 差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出。分別為：采樣差分對(duì)m 1 和m 2 ，保持差分對(duì)m 3 和m 4 及受時(shí)鐘控制的晶體管對(duì) m 5 和m 6 。 差分輸入c k 和c k n 控制鎖存器的工作狀態(tài)。當(dāng)c k 為高電平，c k n 為低電平時(shí)，m 5 導(dǎo)通， m 6 關(guān)斷。此時(shí)，采樣差分對(duì)工作，q 和q n 隨著d 和d n 而變化；保持差分對(duì)不工作。鎖存器工作 在采樣模式。當(dāng)c k 為低電平，c k n 為高電平時(shí)，m 5 關(guān)斷，m 6 導(dǎo)通。此時(shí)，采樣差分對(duì)不工作， q 和q n 不會(huì)隨著d 和d n 而變化：保持差分對(duì)工作，q 和q n 的瞬時(shí)值就被存儲(chǔ)在m 3 和m 4 構(gòu)成 的正反饋環(huán)中。鎖存器工作在保持模式。 該鎖存器在結(jié)構(gòu)上與s c f l 結(jié)構(gòu)唯一不同的是去掉了時(shí)鐘開(kāi)關(guān)的共用電流源。這樣電路減少了 一層，低電源電壓條件下電壓分配的問(wèn)題得到了緩解。因此晶體管參數(shù)的優(yōu)化范圍比較大，電路速 度可以進(jìn)一步的提高。 由于這種結(jié)構(gòu)中受兩個(gè)時(shí)鐘控制的晶體管m 5 和m 6 是不相關(guān)的，需要完全互補(bǔ)的時(shí)鐘信號(hào)來(lái) 確保鎖存器的正常工作。雖然這個(gè)條件在多數(shù)設(shè)計(jì)的比較好的高速系統(tǒng)中是比較容易滿足的。但如 1 0 第二章1 ：4 分頻器的電路設(shè)計(jì) 果作為電路的輸入級(jí)，由于高速差分信號(hào)源不容易找到，電路的測(cè)試條件很難滿足。 這種鎖存器構(gòu)成的分頻器i z ”工作速率高達(dá)1 8 g h z ( 顙, i 試時(shí)在信號(hào)源和芯片之間使用了超高速的 單端轉(zhuǎn)雙端器件) 。 偽差分鎖存器雖然解決了低電源電壓下電壓的分配問(wèn)題，也可以實(shí)現(xiàn)很高的電路工作頻率。但 是由于這種結(jié)構(gòu)要求輸入對(duì)鐘信號(hào)必須是互補(bǔ)的，而目前很多實(shí)驗(yàn)室還不具備產(chǎn)生寬帶超高速差分 信號(hào)的設(shè)備，因此，存在電路的測(cè)試問(wèn)題。 2 2 3 差動(dòng)動(dòng)態(tài)鎖存器 圖2 6 偽差分鎖存器的電路結(jié)構(gòu) 限制上面兩種鎖存器速度的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是負(fù)載電阻r 。該電阻的大小不容易確定，一方 面，需要一個(gè)小的r 來(lái)減小充、放電時(shí)間常數(shù)，加快狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速度；另方面，需要一個(gè)大的r 來(lái)產(chǎn)生大的輸出信號(hào)擺幅，這樣才能驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路。為得到最大工作頻率而優(yōu)化也的理論【2 6 1 已經(jīng) 建立起來(lái)了，然而，利用這個(gè)理論來(lái)確定吃的過(guò)程是很復(fù)雜的。如果r l 能夠被動(dòng)態(tài)控制并能實(shí)現(xiàn) 這樣的功能：采樣模式下阻值小，保持模式下阻值大，則鎖存器的工作速度可以進(jìn)一步提高。這樣 的r l 是比較理想的選擇，又因?yàn)樗淖柚悼勺儯苑Q其為動(dòng)態(tài)負(fù)載。 前文提到了動(dòng)態(tài)鎖存器，此處出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器。先來(lái)看一下它們的異同，動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存 1 1 - 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 器指的是鎖存器中負(fù)載的類型，而動(dòng)態(tài)鎖存器指的是鎖存器的類型。動(dòng)態(tài)鎖存器可以是動(dòng)態(tài)負(fù)載的， 也可以不是動(dòng)態(tài)負(fù)載的。動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器可以是動(dòng)態(tài)鎖存器也可以是靜態(tài)鎖存器。兩者之間沒(méi)有必 然的聯(lián)系。 v d d 圖2 7 動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器 動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器電路口”如圖2 7 所示。這種鎖存器由采樣對(duì)管( m 1 、m 2 ) 、保持對(duì)管( m 3 、 m 4 ) 、受時(shí)鐘控制的開(kāi)關(guān)管m c 和負(fù)載對(duì)管( m 5 、m 6 ) 構(gòu)成。與上述s c f l 、偽差分鎖存器不同的 是保持對(duì)管下面沒(méi)有開(kāi)關(guān)管。這種鎖存器有兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入，這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的作用與上面兩種 鎖存器中的時(shí)鐘信號(hào)的作用不完全相同。上面兩種鎖存器中的時(shí)鐘信號(hào)都與鎖存器的工作模式有關(guān) 系，而此處控制工作模式的只有c k 。c k n 的作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載，其控制p m o s 管使之具有不同 的阻值。 動(dòng)態(tài)負(fù)載鎖存器的工作原理如下：當(dāng)c k 是高電平時(shí)，m c 導(dǎo)通，采樣對(duì)管m 1 和m 2 工作。 此時(shí)c k n 是低電平，p m o s 負(fù)載對(duì)管m 5 和m 6 工作在線性區(qū)，阻值較小，這樣就能得到一個(gè)較小 的時(shí)間常數(shù)。d 和d n 的狀態(tài)很快就可以傳遞到q 和q ，這樣就實(shí)現(xiàn)了采樣過(guò)程：當(dāng)c k 是低電平 時(shí)，m c 關(guān)斷