FPGA 亚稳态 双锁存器法

本文探讨了在FPGA设计中如何处理亚稳态问题,特别是在跨时钟域传输信号时。亚稳态是由于触发器不满足建立和保持时间导致的不稳定状态。为解决此问题,介绍了采用两级锁存器(双锁存器法)的方法,以减少亚稳态传播,确保信号的正确采样。尽管这种方法能有效降低亚稳态出现的概率,但需注意输入信号的延迟和时钟差异对采样成功的影响。

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当今的数字电路都是围绕FPGA/CPLD来设计的,首选的方案时采用同步时序电路,也称作单时钟系统设计,电路中所有触发器的时钟输入共享同一个时钟,每个触发器的状态变化都是时钟的上升沿(下降沿)完成的,与时钟脉冲信号同步。

但在实际电路中,纯粹单时钟系统信号设计不能完成信号在不同时钟域的传递,跨时钟域的异步时钟设计是不可避免的,异步时序设计中有多个独立的时钟源,不同时钟源存在信号频率和香味的差异,当数据信号通过两个时钟域的交界处时,将分别由两个时钟来控制信号的值。如果两个时钟信号的敏感沿非常接近并超过了允许的额度,则将出现数据信号的不稳定,即电路陷入亚稳态态,也称为同步失败。

1.亚稳态的产生

触发器是数字电路中最常用的基本器件,内部包含两个双稳态元件,除了两个稳态状态“0”和“1”之外,还有一个状态,满足双稳态元件的方程,即当两个反相器处于中间值的第三个半稳态——亚稳态,反相器在非逻辑范围的反馈系数是非常大的。一旦离开这个点,就会很快进入逻辑值范围(稳态)。

因为触发器内部的数据形成需要一定的时间,如果不满足建立和保持时间,触

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