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应用于阵列式时间数字转换器的D触发器设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.3 研究内容与设计指标

1.3.1 研究内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文组织结构

第二章 DFF模型分析

2.1 DFF动态特性

2.1.1 DFF应用类型

2.1.2 建立保持时间

2.1.3 DFF数据锁存误码

2.1.4 传输延迟

2.2 动态主从型DFF

2.2.1 经典电路结构

2.2.2 经典结构建立时间

2.2.3 经典结构保持时间

2.2.4 经典结构建立保持

2.2.5 经典结构传输延迟

2.2.6 TSPC电路

2.3 半静态主从型DFF

2.3.1 建立保持时间

2.3.2 传输延迟

2.4 灵敏放大器型DFF

2.4.1 建立保持时间

2.4.2 传输延时

2.5 不同结构DFF动态特性对比

2.6 本章小结

第三章 低锁存误码DFF设计

3.1 半静态主从式DFF

3.1.1 结构改进

3.1.2 反相传输门与三态门的对比

3.1.3 驱动力

3.2 经典动态主从式DFF

3.2.1 经典结构

3.2.2 晶体管漏电分析

3.3 TSPC

3.3.1 毛刺问题

3.3.2 电路结构改进

3.3.3 参数优化

3.3.4 仿真分析

3.4 灵敏放大器型DFF

3.4.1 基本灵敏放大器型SAFF

3.4.2 改进灵敏放大器SAFF1

3.5 本章小结

第四章 版图设计与后仿真验证

4.1 DFF版图设计

4.1.1 半静态主从式DFF

4.1.2 动态主从式DFF

4.1.3 TSPC

4.1.4 灵敏放大器型

4.2 后仿真分析

4.2.1 寄生参数提取与优化

4.2.2 动态主从式DFF

4.2.3 半静态主从式DFF

4.2.4 灵敏放大器型

4.3 本章小结

第五章 DFF芯片测试与验证

5.1 测试电路设计

5.2 测试准备

5.2.1 待测芯片

5.2.2 PCB设计

5.2.3 测试台搭建

5.3 芯片测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

作为数字集成电路基本时序单元,D触发器(D Flip Flop,DFF)的优劣直接影响整个电路系统的性能。传统DFF在采样精度、工作速度与面积等方面,严重限制阵列式时间数字转换器(Time to Digital,TDC)系统的计数精度与量程,无法满足系统低误码率与宽量程的应用要求。
  本文对DFF建立保持时间以及传输延迟进行建模分析,给出优化DFF动态特性的理论依据。针对TDC对DFF的不同需求,设计了两类不同结构的DFF电路:一类是用于实现TDC粗计数的功能高速、低功耗、面积紧凑型的主从式触发器;另一类是低建立保持时间的灵敏放大器型触发器。动态主从型DFF包括经典动态主从型结构以及真单项时钟(True Single Phase Clock,TSPC)结构。前者主要通过减少晶体管数目的方式精简面积,后者研究重点在于减小毛刺以及时钟馈通带来的影响。针对半静态主从型DFF进行门电路精简与参数优化。针对DFF自身特点,完成电路设计,并提出两种测试方案。
  基于TSMC0.35μm CMOS工艺,本文采用Cadence Spectre工具进行电路前仿、版图、后仿以及流片验证。仿真结果表明,经典动态主从型DFF的建立保持时间为85ps,传输延迟为264ps;灵敏放大器型SAFF的建立保持时间、传输延迟分别为120ps、407ps;半静态主从型DFF的建立保持时间为90ps,降低了近60%,面积为29.8μm×13.6μm降低约18%;相比经典动态主从型电路,TSPC面积为12.775μm×13.6μm,功耗为11.31μA@125MHz,分别下降了40%、48%。测试结果显示,TSPC的建立保持时间为162ps,传输延迟约为340ps;毛刺改进型的TPSC3建立保持时间与传输延迟分别为298ps、395.5ps。芯片测试结果良好,与仿真较为一致,满足系统应用要求。

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