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要求：采用
0.25um
CMOS
工艺（
SPICE
模型，
BSIM3.1
）设计一个基于传输门
结构的
< br>D
触发器，要求该
D
触发器带有
异步高电平置位。
1)
用
HSPICE
仿真验证该
D
触发器功能的正确性。
2)
利用<
/p>
HSPICE
仿真得出该
D
触发器的建立时间、
保持时间和传输延时的值，
假<
/p>
设
D
触发器的负载是该
< br>D
触发器的数据输入端。
3)
请优化该
D
触发器的晶体管尺寸，使建
立时间最小。
4)
优化尺寸使传输延时最小。
仿真过程中，
输入信号和
clock
的跳变沿
(
上升沿时间和下降沿时间
)
统一为
0.2ns
。
如下面的
clock
的例子：
vclk clock 0 pulse (0 2.5 0
0.2n 0.2n 4.8n 10n)
建立时间定义含混，难以精确确定。一般减
小寄存器数据到
clock
的时间不会使
输出立刻出错，但它会使输出延时增大，所以一般建立时间的定义有两种方法：
(b)
1
、
定义成时钟之前数据输入必须有效
的时间。
（但有效的含义是什么，
难以精确
确定）
2
、定义成使
D-Clk
时间差与
tc-q
延时的和最小时寄存器的工作点。这一点使触
发器的延时总开销最小。即图
(b)
中斜率
45
度的
点。
X
轴和
Y
轴等比例！
在全定制设计中这个值
可以比较接近出错点，
但在半定制标准单元设计中，
寄存
器的建立时间和保持时间定义成相对
tcq
增
大一个固定百分比时（一般为
5%
）
，
数据
-
时钟的时间差。
注意，
这些曲线在
0-1
和<
/p>
1-0
翻转时不同，
因此
0
和
1
值得
< br>建立时间和保持时间是不一样的，
另外建立时间和保持时间还和时钟与数据的斜<
/p>
率有关，在非线性模型中用一个二维表格表示。
在本练习中，
采用第二种建立时间定义方法。
假定都采
用使输出延时比原来增大
5%
的时间点作为建立时间。分别测量
输出“
1
”和输出“
0
”的不同的建立时间。
保持设计的定义与此相似
,
，同样用输出延时增加
5%
作为定标点。
主从
D
触发器电路图：
图
1
建立时间指信号
D
在
clk
上升沿之前必须稳
定的时间。
传输延迟指从
QM
到达
Q
的时间；保持时间指信号
D
在
clk
上升沿之后必须保持稳定的时间。
（
1
）从图
1
可以看出，建立时间的路径为
I1
、
T1
、
I3
、
I2
，忽略时钟反相器的
延时。建立时间：
tsetup=3tp_inv+tpd_tx
。
优化：
由于
clk
的扇出较多，负载比较大，所以
clk
的两个本地反相器采用大的尺寸
wn=2u
，
wp=4u
以提高驱动能力。
I1
为数据输入管，采用中等尺寸
wn=1.2u
，
wp=2.4u
为
< br>T1
提供合适的驱动。
I3
的负
载接两个反相器，所以尺寸不宜太小，
wn=1.2u
，
wp=2.4u
。对于上升电路其负载为
T2
,
为减小上升延时，
T2
设置为最<
/p>
小尺寸。此外
I4
也是作为负载端也应将
其管子都设为最小尺寸。
（
2
）传输延时为信号通过
T3
、
I6
的时间，传输时间为
tcd=tpd_inv+t
pd_tx
。
优化：
传输延时为从
Qm
到达
Q
的时间。数据传输
到
I2
的同时也传输到了
I4,
所以
I4
在
clk<
/p>
的上升沿就稳定了。
I5
可看作为输出的
负载，所以
I5
采用最小尺寸。
I6<
/p>
接
I5
和下一级
D
触发器的数据输入端，
所以
I6
尺寸不能过小，
wn=1.2u
，
wp=2.4u
。
故为了能更好地驱动
I6
，
T3
也不采用最
小尺寸，
wn=0.5u
，
wp=0.
5u
。
（
3
）
D
在
clk
上升沿后必须稳定，
D
和
clk
都经过一个反相器后到达
< br>T1
，
所以输入
的变化不会比<
/p>
clk
更快到达
T1
，保持时间为
0
，即
thold=
0
。
优化前
D
触发器的仿真波形
:
1
—
0
翻转传输时间和建立时间的测量如图：
传输时间
Tcqf
< br>平均为
313ps
，增大为
1.
05
倍为
329ps
，此时对应的建立
时间
Tsetf=129ps.
0<
/p>
—
1
翻转传输时间和建立时间的测量如图
：
局部放大图：
传输时间
Tcqr
平均为
343p
s
，增大为
1.05
倍为
361ps
，此时对应的建立时间
Tsetr=12
0ps.
0
—
1
翻转保持时间和传输时间的测量如图：
传
输
时
间
Tcq
平
均
为
274ps
，
增
大
为
1.05
倍
为
287ps
，
此
时
对
应
的
保
持
时
间<
/p>
Thold=-86.4ps.
优化后
D
触发器的仿真波形：
0
—
1
翻转传输时间和建
立时间的测量如图：
传输时间
Tcqr
平均为
222ps
，增大为
1.05
倍为
234
ps
，此时对应的建立时间
Tsetr=118ps.
1
—
0
翻转传输时间和建立时间的测量如图：
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