數(shù)字電路中buffer的作用是什么

1 buffer是什么？

所謂buffer，一般是幾級(jí)器件尺寸逐步增大的反相器或類似結(jié)構(gòu)的電路，以使得電阻在獲得所需的驅(qū)動(dòng)能力時(shí)，在功耗延時(shí)積上也達(dá)到最優(yōu)。前后級(jí)的最佳驅(qū)動(dòng)比例在2.718左右。buffer實(shí)際就是兩個(gè)串聯(lián)的反相器，常用于時(shí)鐘路徑中，用于增加時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力，使得時(shí)鐘clock具有良好的上升沿和下降沿。時(shí)鐘buffer本身是輸入負(fù)載較小，輸出驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。因此前級(jí)電路驅(qū)動(dòng)buffer容易，而buffer驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路也比較容易。

2 不插buffer會(huì)發(fā)生什么情況

不插buffer會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力不夠，通常是兩種情況

第一種是輸出電流不夠，導(dǎo)致信號(hào)狀態(tài)異常，這常常發(fā)生在后級(jí)電路對(duì)輸入電流有要求的時(shí)候，另一種則是輸出電流不夠，導(dǎo)致信號(hào)上升下降沿太差，這常常發(fā)生在后級(jí)電路的輸入電容較大的情況。

驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)：擺幅大，上升快

驅(qū)動(dòng)能力弱：擺幅下，上升慢

圖1：不同驅(qū)動(dòng)能力下的時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)情況

3 驅(qū)動(dòng)能力

所謂驅(qū)動(dòng)能力，是指前級(jí)電路的輸出信號(hào)可以使得后級(jí)電路有效響應(yīng)，這個(gè)有效的包含兩層意思：第一是前級(jí)輸出信號(hào)能被后級(jí)電路識(shí)別，第二是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被后級(jí)電路識(shí)別。

4 應(yīng)用場(chǎng)景-1：通過插buffer減少負(fù)載數(shù)量

如圖所示，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)16個(gè)reg時(shí)，負(fù)載很大，時(shí)鐘上升很慢，并且時(shí)鐘擺幅小，此時(shí)插入4個(gè)buffer。加buffer之前你的時(shí)鐘直接驅(qū)動(dòng)寄存器或者很多個(gè)寄存器。加buffer以后你的時(shí)鐘只驅(qū)動(dòng)buffer，而你的buffer會(huì)去驅(qū)動(dòng)寄存器。時(shí)鐘buffer本身是輸入負(fù)載較小，輸出驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的。而且通常會(huì)做成一個(gè)時(shí)鐘buffer網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)里面全部的寄存器，并保證整個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)有很好的transition，以及平衡從時(shí)鐘源到所有寄存器的insertion delay.寄存器的CK端接在時(shí)鐘上面， 在時(shí)鐘上加入buffer是在做時(shí)鐘樹的時(shí)候讓時(shí)鐘到每一個(gè)寄存器的CK端的SKEW盡可能的小，還有增加驅(qū)動(dòng)的功能。（圖中的16個(gè)寄存器為舉例數(shù)字，實(shí)際IC設(shè)計(jì)中并不一致。

圖 2 :時(shí)鐘路徑buffer插入

5 應(yīng)用場(chǎng)景-2：減少連線負(fù)載

當(dāng)數(shù)據(jù)連線很長(zhǎng)時(shí)，連線負(fù)載電容很大，導(dǎo)致存在很大的延時(shí)。此時(shí)插入buffer將連線分割成幾個(gè)連線，每個(gè)buffer驅(qū)動(dòng)的負(fù)載較小，因此能夠有效減少延時(shí)，雖然buffer本身也具有延時(shí)，但是插buffer減少的連線延時(shí)明顯大于buffer自身延時(shí)就可以采用插buffer的方式。

6 插buffer減少延時(shí)的原理：

通過插buffer的方式減少了電路的負(fù)載電容，負(fù)載電容減少后，同樣電壓的情況下，對(duì)電容充電速度快（上升沿陡峭），同樣電容小時(shí)存儲(chǔ)的電容小，放電所需的時(shí)間短（下降沿陡峭）。一句話來說就是: 插buffer的方式減少了電路的負(fù)載電容，從而增大了電路驅(qū)動(dòng)能力。

總之，數(shù)字電路中的buffer一般有兩個(gè)作用：
1.提高驅(qū)動(dòng)能力
buffer是一種寬高比很大的mos管，寬高比大意味著電流大，驅(qū)動(dòng)能力高。
在扇出很大的wire中插入buffer可以提高帶負(fù)載能力，常見于時(shí)鐘樹中。
2.確保信號(hào)時(shí)序正確
當(dāng)一條wire很長(zhǎng)時(shí)，延遲很大（delay正比于長(zhǎng)度的平方，設(shè)長(zhǎng)度為1，delay為1），這時(shí)在中間插入buffer，wire delay變?yōu)?/4+1/4=1/2，只要buffer delay小于1/2，則buffer的插入可以縮短wire delay。
當(dāng)一條wire的延遲不大時(shí)，如果有hold violation（表現(xiàn)為數(shù)據(jù)到達(dá)過快，需要滯后到達(dá)），則插入buffer，利用buffer delay可以修正這個(gè)hold violation。