通過(guò)解剖一個(gè)邊沿觸發(fā)器簡(jiǎn)要說(shuō)明setup和hold產(chǎn)生原因

在后仿真過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到關(guān)于setup和hold violation的問(wèn)題，但是關(guān)于setup和hold time的產(chǎn)生原因和由來(lái)很多人還比較朦朧，為此本文通過(guò)解剖一個(gè)邊沿觸發(fā)器簡(jiǎn)要說(shuō)明setup和hold產(chǎn)生原因。

解剖示例

上圖為觸發(fā)器的簡(jiǎn)要示意圖（clk和’clk為反向時(shí)鐘）。T1和T4同時(shí)導(dǎo)通，T2和T3同時(shí)導(dǎo)通，且T1、T4和T2、T3導(dǎo)通狀況互反。其中T1、T2、T3、T4均為傳輸門(mén)，均為電平敏感，所以所謂的時(shí)鐘跳變可以理解為高低電平的相互跳變所致。而電路中實(shí)際的延時(shí)信息主要由于電信號(hào)導(dǎo)通時(shí)通過(guò)電子器件時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間。

【注】傳輸門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)如下圖所示。

工作過(guò)程

clk和’clk互為相反的信號(hào)，clk為低電平（’clk為高電平）時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，此時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入到`D和``D，因?yàn)榇藭r(shí)T4導(dǎo)通，圖中綠色箭頭線(xiàn)中的數(shù)據(jù)保持上一拍的數(shù)據(jù)結(jié)果。 當(dāng)clk高電平（’clk為低電平）到來(lái)時(shí)，T1和T4關(guān)斷，T2和T3導(dǎo)通，②中的數(shù)據(jù)維持穩(wěn)定，通過(guò)T3輸出至Q端，同時(shí)B點(diǎn)、’Q和’’Q點(diǎn)的數(shù)據(jù)保持一致穩(wěn)定；當(dāng)?shù)碗娖降絹?lái)時(shí)，T2和T3關(guān)斷，T1和T4導(dǎo)通，此時(shí)B點(diǎn)、’Q（Q）和’’Q點(diǎn)數(shù)據(jù)一直穩(wěn)定，因此可以保證綠色箭頭線(xiàn)部分有穩(wěn)定一致的數(shù)據(jù)通過(guò)Q端發(fā)送出去。

所以，可以看到在上跳沿采樣的數(shù)據(jù)可以保持一個(gè)時(shí)鐘周期。通過(guò)上述分析，我們可以看到一個(gè)邊沿觸發(fā)器實(shí)際上可以解剖為兩個(gè)鎖存器，后續(xù)分析時(shí)也會(huì)用到這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 一般觸發(fā)器setup和hold的產(chǎn)生，就跟上述觸發(fā)器的工作過(guò)程密切相關(guān)，下面一塊來(lái)看看兩者之間的聯(lián)系。

setup和hold蹤跡

下圖為陰影區(qū)域?yàn)閠iming violation區(qū)。

clk上跳沿之前

setup時(shí)間（tsu）：輸入數(shù)據(jù)D在時(shí)鐘上升沿之前必須保持不變的時(shí)間。為了得到有效的數(shù)據(jù)，必須保證A點(diǎn)、`D和``D點(diǎn)的數(shù)據(jù)保持一致穩(wěn)定，否則在T2導(dǎo)通時(shí)將會(huì)形成振蕩電路。當(dāng)T1打開(kāi)時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)T1后分別到達(dá)A點(diǎn)、`D和``D點(diǎn)，并且保持一致，耗費(fèi)的時(shí)間為T(mén)s，時(shí)鐘從低電平跳變到高電平需要耗費(fèi)時(shí)間為T(mén)c，因此，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效和電路的穩(wěn)定，輸入數(shù)據(jù)需要保持的時(shí)間至少應(yīng)該為T(mén)s，如果不滿(mǎn)足將會(huì)在T2導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)、`D和``D點(diǎn)的值不同，從而可能會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。因此，可以這樣理解，所謂的建立時(shí)間是指輸入數(shù)據(jù)D經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間才能使`D的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。所以setup指的是數(shù)據(jù)從D到達(dá)``D的時(shí)間。

clk上跳沿之后

hold時(shí)間（thold）：在時(shí)鐘上升沿到達(dá)后，輸入數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定的時(shí)間。在clk上跳沿發(fā)生之后，T1和T4關(guān)閉，T2和T3打開(kāi)，數(shù)據(jù)從Q端輸出。但是需要注意，因?yàn)門(mén)1關(guān)閉需要時(shí)間，所以在T1和T4關(guān)閉到T2和T3打開(kāi)輸入數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，如果A點(diǎn)的數(shù)據(jù)受到D點(diǎn)的影響，從而導(dǎo)致A點(diǎn)和D點(diǎn)數(shù)據(jù)不一致，也就是在上跳沿發(fā)生后，即T2、T3導(dǎo)通時(shí)，②中循環(huán)的數(shù)據(jù)不能保持穩(wěn)定一致，從而導(dǎo)致Q端數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。因此，thold可以理解為D端數(shù)據(jù)通過(guò)T1，再經(jīng)過(guò)②到達(dá)A點(diǎn)，保證A和`D點(diǎn)數(shù)據(jù)一致穩(wěn)定的時(shí)間。 上面是對(duì)setup和hold產(chǎn)生原因的一些簡(jiǎn)單介紹，有些朋友可能會(huì)問(wèn)，上文中setup和hold感覺(jué)都是正值，為什么我在仿真的時(shí)候遇到過(guò)setup或者h(yuǎn)old為負(fù)值的情況呢？為了探討方便，此處以常用到的一種觸發(fā)器（由兩個(gè)鎖存器組成）為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

hold time為負(fù)值

當(dāng)data從pin到鎖存數(shù)據(jù)的鎖存器的delay時(shí)間大于clock從pin到達(dá)鎖存器CK端的delay時(shí)，那么當(dāng)D結(jié)束于CLK上升沿之前，此時(shí)從REGISTER層面觀測(cè)到的hold為負(fù)值，而實(shí)際上在鎖存數(shù)據(jù)的鎖存器端，由于之前data延遲大于clock延遲，CLK'對(duì)D'進(jìn)行控制時(shí)，D'相對(duì)于CLK'一直保持到CLK'為高電平之后，也就是此時(shí)hold為正值，出現(xiàn)在上升沿右側(cè)。

setup time為負(fù)值

當(dāng)data從pin到鎖存數(shù)據(jù)的鎖存器的delay時(shí)間小于clock從pin到達(dá)鎖存器CK端的delay時(shí)，那么當(dāng)D開(kāi)始于CLK上升沿之后，此時(shí)從REGISTER層面觀測(cè)到的setup為負(fù)值，而實(shí)際上在鎖存數(shù)據(jù)的鎖存器端，由于之前data延遲小于clock延遲，CLK'對(duì)D'進(jìn)行控制時(shí)，D'出現(xiàn)在了CLK'之前，也就是此時(shí)setup為正值，出現(xiàn)在上升沿左側(cè)。







審核編輯：劉清