為什么時鐘樹上要用clock inverter(min pulse width check)？

Min pulse width定義

最小脈沖寬度檢查可確保時鐘信號的寬度足夠?qū)挘员悴杉秸_的數(shù)據(jù)，保證設(shè)計功能。即為了獲得穩(wěn)定的輸出，需要確保時鐘信號寬度至少達(dá)到某個“最小寬度”。比如lib中就對寄存器Flipflop的CLK pin有min pulse width的check。

• High pulse width

If you need a formal definition of the term, it is the interval between the rising edge of the signal crossing 50% of VDD and the falling edge of the signal crossing 50% of VDD.

• Low pulse width

If talking in terms of low signals, it is the the interval between falling edge of the signal crossing 50% of VDD and the rising edge of signal crossing 50% of VDD.

以下圖為例，一個時鐘信號CLK，經(jīng)過六級普通buffer(各自的rise time和fall time是不相同的)到達(dá)一個寄存器的CK 端。我們來計算下high pulse width，low pulse width以及判斷是否存在min pulse width違例（uncertainty:80ps Reg ck pin requirement min pulse width：0.420ns）。

High pulse width = 0.5 + (0.049-0.056) + (0.034 -0.039) + (0.023-0.026) + (0.042-0.046) + (0.061 – 0.061) + (0.051-0.054) = 0.478ns

Low Pulse width = 0.5 + (0.056 – 0.049) + (0.038 – 0.034) + (0.026 – 0.023) + (0.046 – 0.042) + (0.061 – 0.061) + (0.054 – 0.051) = 0.522ns

high pulse width = 0.478-0.080 = 0.398ns (小于0.420ns)

因此， 存在min pulse width violation 。

Min pulse width檢查方式

• Liberty文件

Liberty文件中對寄存器的CLK pin和reset pin均有一個默認(rèn)的min pulse width check值。在STA分析時工具會自動載入進(jìn)行check。如圖1所示，index_1為input transition。

圖1 lib中min_pulse_width屬性定義

• SDC約束

除了采用lib文件中默認(rèn)的min pulse width值check外，我們還可以通過如下SDC命令來設(shè)置特殊的約束條件。

set_min_pulse_width -high 2 [get_clocks clk]

set_min_pulse_width -low 1 [get_clocks clk]

理想clock buffer/inverter的特性

• Equal rise and fall times
• Less delay variations with PVT and OCV
• Clock buffer能夠驅(qū)動較長的net以及更多的fanout

普通buffer如何導(dǎo)致pulse width violation?

圖2顯示了Wp = 100nm＆Wn = 100nm的Buffer電路的示意圖。β比率（PMOS的寬度與NMOS的寬度的比率）由于NMOS的遷移率高于PMOS，因此上升時間大于下降時間。這個結(jié)論是根據(jù)電流公式得出的，不懂的請移步模擬電路查閱。

圖2 Unbalanced Buffer電路原理圖

這里的每個buffer都需要更多的時間來充電(相比放電過程)。輸入為占空比為50％的周期為4ns的脈沖信號。當(dāng)時鐘信號通過buffer chain傳播時，脈沖寬度如下圖4所示減少相當(dāng)多。最后一個buffer的輸出具有相同的周期，但占空比發(fā)生了變化。在最壞的情況下，這種情況可能會小于設(shè)計所需的脈沖寬度（最小脈沖寬度）。

圖3 Unbalanced Buffer Chain

圖4 pulse width reduction

Balanced buffers have equal rise and fall time

為了使得buffer的上升和下降時間一致，PMOS的寬度應(yīng)該約為NMOS的兩倍（具體倍數(shù)關(guān)系取決于工藝）。Balance buffer電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖6為一堆balanced buffer級聯(lián)的buffer chain的輸出波形。從輸出波形看到，當(dāng)我們在clock path上使用這種balanced buffer，輸出時鐘信號周期未發(fā)生變化且占空比仍然為1:1，即不會出現(xiàn)pulse width violation。

圖5 balance buffer電路結(jié)構(gòu)圖

圖6 Balanced Buffer Chain 輸出波形

unbalanced inverter有沒有min pulse width問題？

如果在時鐘路徑中使用偶數(shù)個反相器，一對反相器上升和下降時間會相互補償，所以脈沖寬度并不會改變。所以反相器輸出不會導(dǎo)致脈沖寬度違規(guī)。

圖7所示為一個反相器的電路結(jié)構(gòu)圖。其中Wp = 100nm，Wn = 300nm。根據(jù)P管和N管的尺寸，我們得知上升時間比下降時間小得多。

圖7 Unbalanced 反相器原理圖

圖8所示為一個十級反相器級聯(lián)的電路圖。圖9為第九級和第十級反相器輸出波形圖。從圖中可以得知，unbalance inverter同樣也不會導(dǎo)致min pulse width問題。

圖8 unbalanced inverter chain

圖9 第九級，第十級反相器輸出波形圖

所以，在做時鐘樹綜合時，我們往往選用clock inverter來長clock tree。