基于D_FF的setup time,hold time分析

本文深入解析D_FF触发器的工作原理,通过分析其内部结构和信号传递过程,阐述了建立时间和保持时间的概念,帮助读者理解时钟同步电路中数据稳定性的关键。

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基于D_FF的setup time,hold time分析

首先,盗图一张,分析下面正边沿D_FF的工作原理

在分析电路之前,我首先介绍几个分析电路的技巧:
分析逻辑门状态,要看起关键作用的信号,例如:与门只要有一个为0输出就一定为0,或门有一个为1输出就一定为1.

看到上面的D触发器,说实话,这张图我看了作者给的解释才隐约明白了它的工作原理,可是看着图还是茫然的。下面是我根据自己的理解,总结的分析过程:
1、首先,我们仔细观察一下,是不是上图就是三个RS锁存器(我感觉也看了好久才发现的,惭愧啊),RS锁存器吗,我这里就不讲了。
2、我们先来分析一下clock为0的情况,上面我怎么说的,看关键信号,与非门是关键信号是0。在与非门的时候,我们看到0就要兴奋了,这个是突破口啊,只要输入有0,输出就一定是1啊,这个没毛病吧!所以G2,G3输出就一定为1,这个就相当于把前面后面的路给堵了,前面发生什么情况,后面都不知道了。然后我们向后看,G5,G6构成的RS锁存,是不是输出保持不变啊。
我们再来看看Data的数据是不是就被所锁在了G2,G3之前,就过不去了啊。这个过程中是不是G1和G4就是个反向器对吧,所以,这一部分路是通的。
3、当clock=1时,我们看一下,是不是G2,G3,堵注的路是不是就通了,对吧!
这个时候,我们就可以用锁存器来分析了
D=0,G1和G2分别输入为1,1,G2输出不变,为1。
G3和G4分别输入为1,0,G3输出变为0。
G5和G6这个所锁存器就data=0传出了。
还是一样,大家注意到了0没有,对的G3=0,这个过程中,G3为0,会出现什么情况。这个信号反馈到了G4,这个过程中是不是G4就拉闸了,那后面是不是就没有Data,什么事了,是不是很巧妙。
D=1,G1和G2分别输入为0,1,G2输出不变,为0。
G3和G4分别输入为0,1,G2输出变为1。
G5和G6这个所锁存器就data=1传出了。
同样,G2=0,反馈后是不是G1和G3就歇菜了,这个还是把data的路给挡了,还是一样,没他什么事了。

下面,我来分析一下几个时间:
在这里插入图片描述
1、建立时间(set-up time):在时钟沿到来之前,数据必须稳定的时间。
大家看D触发器:是不是在clock=0的时候,是不是数据就要送到G2和G3。如果这个时间没有送过来,clock=1的时候,G1,G3或G4就要拉闸了,对吧。如果建立时间不够,Data是不是就被堵主过不来了啊。
2、保持时间(hold time):在时钟沿到来之后,数据必须稳定的时间。
接着分析,我们要堵G1,G3或G4,的信号怎么来的,是不是还是输入给逻辑门产生的输出对吧,所以,时钟沿过了之后,输入还是不能变,变了之后,还怎么把前面的门堵主啊。

<think>我们使用HSPICE测量DFFSetupTimeHoldTime的基本思路是通过扫描扫描时钟沿数据沿之间的时间差,观察DFF的输出是否出现错误(比如亚稳态或错误锁存)。具体步骤如下:1.**定义测试电路**:包括DFF、时钟信号、数据信号必要的激励源。2.**参数扫描**:扫描数据信号相对于时钟信号的变化时间(即SetupHold时间检查的偏移量)。3.**监测输出**:在特定的时间点检查DFF的输出(Q或QN)是否正确锁存了输入数据。4.**确定临界点**:找到当输出开始出现错误时的数据-时钟时间差,这个时间差就是SetupTimeHoldTime。###1.SetupTime测量方法SetupTime定义为在时钟有效边沿到来之前数据必须保持稳定的最小时间。在测量时,我们固定时钟边沿,然后逐渐改变数据信号的变化时间(让数据越来越靠近时钟边沿变化),直到DFF的输出不能正确锁存数据。这个临界点即为SetupTime。###2.HoldTime测量方法HoldTime定义为在时钟有效边沿到来之后数据必须保持稳定的最小时间。类似地,我们固定时钟边沿,然后让数据信号在时钟边沿之后更早地变化(即减少数据在时钟沿后的稳定时间),直到DFF的输出出现错误,这个临界点即为HoldTime。###3.HSPICE测量示例以下是一个使用HSPICE测量DFFSetupTime的例子(HoldTime的测量方法类似,只需调整扫描方向):####步骤1:构建测试电路我们使用一个标准的DFF(例如,从库中调用),并连接时钟(CLK)数据(D)输入。输出为Q。我们还需要一个脉冲源作为时钟,另一个脉冲源作为数据(但数据脉冲的边沿相对于时钟可调)。####步骤2:编写HSPICE网表```spice*DFFSetupTimeMeasurement.optionpost=2.paramtd_delay=0n*扫描参数:数据D相对于时钟CLK的延迟*电压源定义VddVdd0DC1.8VssVss0DC0*时钟信号:周期=20ns,占空比50%VclkCLK0PULSE(01.800.1n0.1n10n20n)*数据信号:在时间td_delay处跳变(假设从0跳变到1.8)VdD0PULSE(01.8'td_delay'0.1n0.1n20n40n)*调用DFF模型(假设使用工艺库中的标准DFF)X1DCLKQ0VddVssDFF*分析设置:瞬态分析,同时使用参数扫描.tran0.01n100nsweeptd_delay0n10n0.1n*监测输出Q在时钟上升沿之后一段时间(例如,15ns后)的值*我们期望:在时钟上升沿采样数据,如果数据在时钟上升沿之前td_delay时间已经稳定,则输出应该为高(1.8V)*我们测量在时钟上升沿之后(例如,时钟上升沿在10ns,30ns,50ns等)的15ns时刻(即25ns,45ns,65ns)的输出值*但由于时钟周期为20ns,我们可以在每个时钟上升沿之后固定时间点测量.measuretranq_valuefindV(Q)at=50n*这里选择50ns是因为在40ns时钟沿后的10ns(即50ns)应该已经稳定.measuretransetup_timeparam='td_delay'whenV(Q)=0.9*当输出不再是高电平(1.8V)而是下降到0.9V(中点)时,记录此时的td_delay.end```**注意**:上述测量方法在实际中需要调整,因为我们需要在多个时钟沿进行测量,并且临界点判定需要更精确的方法。实际中,我们可能通过扫描参数td_delay,观察输出波形中是否出现亚稳态或错误,然后找到临界点。####步骤3:改进临界点检测更准确的方法是:在时钟上升沿后足够长的时间(满足建立时间要求)检查输出是否正确。例如,在时钟上升沿后5ns(保证DFF内部已经稳定),测量输出Q的值。然后,我们扫描参数`td_delay`(从大到小变化),当输出值从正确变为错误时的`td_delay`就是SetupTime。实际SetupTime测量中,数据变化时间应该从大于SetupTime的值开始(比如5ns)逐渐减小(比如扫描到-1ns,即数据在时钟后变化),直到输出出现错误。临界点即SetupTime。###4.完整示例(SetupTime测量)下面是一个更实际的例子,通过参数扫描找出SetupTime:```spice*DFFSetupTimeMeasurement.optionpost=2.paramtd_delay=5n*初始数据延迟5ns(大于预估的SetupTime)*时钟信号:周期=20ns,第一个上升沿在10nsVclkCLK0PULSE(01.800.1n0.1n10n20n)*数据信号:在时间'td_delay'处从0跳变到1.8,然后保持(在时钟的第二个上升沿采样,即30ns时刻)*我们希望数据在时钟第二个上升沿(30ns)之前稳定。因为第一个上升沿时数据还没跳变(在td_delay=5ns时,在5ns跳变),所以第一个上升沿采样的是0,而第二个上升沿(30ns)采样的是1(因为数据在5ns时已经跳变)。*因此我们关注第二个上升沿(30ns)后的输出。VdD0PULSE(01.8'td_delay'0.1n0.1n40n80n)*注意:只跳变一次,在td_delay时刻跳变后保持高电平直到80ns*调用DFF模型X1DCLKQVddVssDFF*电源VddVdd0DC1.8VssVss0DC0*瞬态分析并扫描td_delay(从5n到-2n,步长0.1n).tran0.01n100nsweeptd_delay5n-2n-0.1n*测量在第二个时钟上升沿(30ns)后的15ns(即45ns)时刻的输出*预期:如果数据在时钟上升沿(30ns)之前稳定时间足够,那么输出为1.8V*当td_delay减小(数据变化越来越靠近30ns)到一定程度,输出会变为0(不稳定导致采样到0?或者亚稳态?)或中间值*我们设置测量点:当输出在45ns的电压低于1.8V的90%(即1.62V)时,认为采样失败.measuretransetup_timeparam='5n-td_delay'whenV(Q)<1.62at=45n.end```**解释**:-我们扫描`td_delay`从5ns(数据在5ns跳变,然后在30ns时钟沿之前有25ns的稳定时间)到-2ns(数据在时钟沿后2ns才跳变,即稳定时间不足)。-在45ns时刻(第二个时钟上升沿30ns之后15ns),我们测量Q的电压。在正常情况下(数据稳定足够),Q应该是1.8V(高电平)。当`td_delay`过小时(即数据跳变太靠近时钟沿),DFF可能采样失败(输出非高电平)。-我们设定一个阈值(1.62V,即1.8V的90%),当电压低于此值时,记录此时的`td_delay`。注意,我们测量的是`5n-td_delay`,因为数据跳变时间td_delay越小,说明数据跳变离时钟沿(30ns)越近,那么建立时间(即数据跳变到时钟沿的时间差)就是`30n-td_delay`。我们设置的初始条件td_delay=5n,此时建立时间为25ns,然后逐渐减小。当找到临界点时,setup_time=`30n-(临界td_delay)`。但是,上述测量指令`.measuretransetup_timeparam='5n-td_delay'whenV(Q)<1.62at=45n`会在第一次检测到电压低于1.62V时记录,此时`td_delay`的值设为td_delay_critical,则SetupTime为:$$t_{setup}=30\text{ns}-t_{d}\_{\text{delay}\_critical}$$###5.HoldTime测量示例类似地,对于HoldTime,我们需要数据在时钟沿之后保持足够长的时间。因此,我们让数据跳变发生在时钟沿之后,然后逐渐提前数据跳变(即让数据跳变越来越早,靠近时钟沿),直到输出出现错误。```spice*DFFHoldTimeMeasurement.optionpost=2.paramth_delay=1n*数据跳变在时钟沿后1ns发生*时钟信号:周期20nsVclkCLK0PULSE(01.800.1n0.1n10n20n)*数据信号:我们希望数据在时钟沿(如10ns)之前是稳定的高电平(1.8V),然后在时间10ns+th_delay(即11ns)处跳变到0*这样,时钟在10ns采样数据(应该是高电平),但是数据在11ns跳变为低。如果th_delay太小(如0.5ns),那么数据在10.5ns跳变,则时钟10ns后数据保持时间不足,可能导致输出错误。VdD0PULSE(1.80'10n+th_delay'0.1n0.1n40n80n)*DFFX1DCLKQVddVssDFF*电源VddVdd0DC1.8VssVss0DC0*扫描th_delay:从1n(保持时间1ns)到-2n(数据在时钟沿前跳变),步长-0.1n(递减,即th_delay越来越小,保持时间变短).tran0.01n100nsweepth_delay1n-2n-0.1n*测量输出:在时钟沿(10ns)后5ns(15ns)时,输出应该是高电平(1.8V)*当输出低于1.62V时,认为采样错误.measuretranhold_timeparam='th_delay'whenV(Q)<1.62at=15n.end```**解释**:-时钟在10ns上升沿采样数据D,此时D应该是高电平(1.8V),因此Q在之后应变为高电平。-如果数据在时钟沿后很快跳变(即th_delay很小),那么DFF可能不能正确保持数据,导致输出错误(比如变为0V或亚稳态)。-我们设置th_delay从1ns(数据在11ns跳变,保持时间1ns)减小到-2ns(数据在8ns跳变,意味着时钟沿10ns时数据已经是低电平了)。-在15ns时(10ns+5ns)测量输出Q,正常情况下应为高电平(1.8V)。当低于1.62V时,记录此时的th_delay,即为临界保持时间,这个临界值就大约是我们测得的HoldTime(即临界点对应的th_delay值)。**注意**:这些例子是概念性的,实际应用时需根据具体DFF工艺库调整。同时,亚稳态可能表现为电压在一个中间值,或者振荡,因此阈值设定需要根据实际情况调整。###总结:通过HSPICE的瞬态分析参数扫描,我们可以测量DFFSetup/Hold时间。关键点:1.使用脉冲源产生时钟数据,并通过参数控制数据相对于时钟的延迟。2.通过扫描这个延迟参数,观察输出波形,找到输出开始不满足要求的临界点。3.使用`.measure`命令自动捕捉临界点,计算Setup/HoldTime。[^1]:建立时间约束要求在时钟采样边沿之前数据必须稳定一定时间[^1]。§§相关问题§§1.HSPICE中如何设置参数扫描的步长才能得到精确的Setup/HoldTime?2.测量Setup/HoldTime时如何避免亚稳态对判断的影响?3.HSPICE中是否有直接测量Setup/HoldTime的命令?4.如何将测量得到的Setup/HoldTime用于后续的时序约束?</think> ### HSPICE 测量 DFFSetup/Hold Time 方法及示例 #### 📌 核心原理 在 HSPICE 中测量 DFFSetup Time Hold Time 的核心思想是:**扫描数据信号相对于时钟边沿的偏移时间**,找到导致 DFF 输出错误的临界点: - **Setup Time**:数据变化最晚不晚于时钟边沿多久能正确采样 - **Hold Time**:数据变化最早不早于时钟边沿多久能正确采样 --- #### 🔧 测量步骤 1. **构建测试电路** ```spice * DFF 测试电路 Vdd Vdd 0 DC 1.8V Vclk CLK 0 PULSE(0 1.8 0 0.1n 0.1n 4.9n 10n) * 时钟周期10ns Vd D 0 PULSE(0 1.8 't_delay' 0.1n 0.1n 5n 20n) * t_delay为扫描参数 * 调用标准DFF单元 XDFF D CLK Q Vdd 0 DFF_CELL ``` 2. **设置参数扫描** ```spice .param t_delay = 0n * 初始数据延时 .tran 0.01n 100n SWEEP t_delay 0n 5n 0.05n * 扫描延时[0-5ns],步长50ps ``` 3. **关键测量指令** ```spice * 检测输出Q在时钟上升沿后的状态 .measure tran setup_find FIND t_delay WHEN V(Q)=0.9 TRIG V(CLK) VAL=0.9 TD=5n RISE=1 .measure tran hold_find FIND t_delay WHEN V(Q)=0.9 TRIG V(CLK) VAL=0.9 TD=5n RISE=2 ``` --- #### 🛠️ 完整测量示例 ```spice * DFF Setup/Hold 时间测量 .option post=2 ingold=1 * 电源信号源 Vdd Vdd 0 DC 1.8V Vclk CLK 0 PULSE(0 1.8 0 0.1n 0.1n 4.9n 10n) Vd D 0 PULSE(0 1.8 't_delay' 0.1n 0.1n 5n 20n) * 调用标准DFF库单元 XDFF D CLK Q QN Vdd 0 DFF_STD * 参数扫描设置 .param t_delay = 0n .tran 0.01n 100n SWEEP t_delay -0.5n 5n 0.02n * 扫描[-0.5,5ns]步长20ps * Setup Time测量: 数据在CLK上升沿前临界点 .measure tran setup_time FIND t_delay WHEN V(Q)=1.6 + TRIG V(CLK) VAL=0.9 TD=10n RISE=2 * 检测第二个时钟沿 + CROSS=1 TARG V(D) VAL=0.9 CROSS=1 * Hold Time测量: 数据在CLK上升沿后临界点 .measure tran hold_time FIND t_delay WHEN V(Q)=0.2 + TRIG V(CLK) VAL=0.9 TD=10n RISE=2 * 检测第二个时钟沿 + CROSS=1 TARG V(D) VAL=0.9 CROSS=1 .end ``` #### 📊 结果解析 1. **Setup Time**:当`t_delay`减少到数据变化过于接近时钟边沿时,Q输出未达到高电平阈值(V(Q)<1.6V) > $$t_{setup} = t_{clk\_edge} - t_{data\_transition}$$ 2. **Hold Time**:当`t_delay`过小导致数据在时钟后过早变化时,Q无法保持正确值(V(Q)>0.2V) > $$t_{hold} = t_{data\_transition} - t_{clk\_edge}$$ 3. **输出波形分析**:在Avanti Waves等工具中观察: - CLKD信号的时间差 - Q输出信号的亚稳态/错误跳变点 - 临界点对应的`t_delay`值 --- #### ⚠️ 注意事项 1. **精度控制**:扫描步长建议取工艺节点的1/5 (如28nm工艺用5ps步长) 2. **电压阈值**:检测点电压取电源电压的10%~90%(如1.8V工艺用0.2V/1.6V) 3. **多周期验证**:至少扫描3个时钟周期避免亚稳态干扰 4. **工艺角覆盖**:需在SS/TT/FF等不同工艺角下重复测量[^3] --- #### 📈 工程应用 测量结果可用于: 1. 时序约束文件`.sdc`中的setuptime/holdtime值 2. 静态时序分析(STA)的边界条件 3. 高速电路时序裕量验证[^1] > 当出现违例时,可通过增加缓冲器、调整时钟树或优化布局修复[^2]
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