数字集成电路设计基础-第八章 稳定性分析
电路稳定性分析与控制方法
电路稳定性分析与控制方法随着科技的不断发展，电路在日常生活中扮演着至关重要的角色。
然而，电路的稳定性问题成为影响电路性能的一大挑战。
本文将介绍电路稳定性的概念、分析方法以及控制方法，旨在帮助读者更好地理解和解决电路稳定性问题。
一、电路稳定性概述电路稳定性是指电路在一定输入条件下，输出信号能保持稳定的性质。
稳定的电路能够正确地响应输入信号并产生预期的输出。
而当电路不稳定时，输出信号可能变得不可预测，甚至导致电路工作失效。
二、电路稳定性分析方法要解决电路稳定性问题，首先需要进行系统性的分析。
以下是一些常用的电路稳定性分析方法：1. 零极点分析法零极点分析法是一种基于传递函数的分析方法，通过分析电路传递函数的极点和零点来评估电路的稳定性。
当传递函数的所有极点都位于左半平面时，电路是稳定的；而当存在极点位于右半平面时，电路可能是不稳定的。
2. 小信号分析法小信号分析法是一种线性化的方法，通过线性化电路模型并分析其频率响应来评估电路稳定性。
该方法适用于当输入信号幅值较小的情况下，近似认为电路行为是线性的。
通过分析电路的增益和相位特性，可以判断电路的稳定性。
3. 极限稳定度分析法极限稳定度分析法是一种结合时域和频域分析的方法，用于评估电路的稳定性界限。
通过分析电路的单位延迟响应和带通响应，可以确定电路在什么条件下仍然能够保持稳定。
三、电路稳定性控制方法在分析了电路的稳定性问题之后，下一步是采取控制措施来解决这些问题。
以下是一些常用的电路稳定性控制方法：1. 负反馈负反馈是一种常用的控制方法，通过将一部分输出信号反馈到输入端来稳定电路。
负反馈能够减小电路的增益，降低非线性失真，并增加电路的带宽。
通过合理设计反馈环路，可以提高电路的稳定性。
2. 补偿网络设计补偿网络设计是通过添加特定的电路元件来改善电路的稳定性。
例如，当电路存在频率响应上的不稳定性时，可以设计并添加补偿电容或电感来抵消不稳定性。
3. 参数优化参数优化是通过调整电路的元件参数，使其满足稳定性要求。
电路设计流程如何实现设计的可靠性与稳定性
电路设计流程如何实现设计的可靠性与稳定性电路设计在现代科技中扮演着重要的角色。
无论是电子设备还是通信系统，都离不开稳定可靠的电路设计。
然而，要实现设计的可靠性和稳定性并非易事。
本文将介绍电路设计流程中的关键步骤和技巧，以帮助实现设计的可靠性与稳定性。
一、需求分析第一步是进行需求分析。
在设计电路之前，我们需要明确电路的功能和特性。
这包括电路所需实现的任务、工作环境、输入输出电压范围、功耗要求等。
通过仔细分析需求，可以避免因为设计过大或过小而导致电路工作不稳定或无法正常工作的问题。
二、电路拓扑结构设计在电路拓扑结构设计阶段，我们应该选择合适的电路结构。
不同的电路结构有不同的适用场景和性能特征。
例如，对于需要高增益的放大器电路，应该选择适合这一需求的放大器拓扑结构，如共射放大器或共源放大器。
在选择拓扑结构时，还应考虑电路的可调节性和抗干扰能力，以确保电路设计的稳定性和可靠性。
三、元器件选择元器件选择是电路设计中至关重要的一步。
不同的元器件品牌和规格会对电路的可靠性和稳定性产生重要影响。
因此，在选择元器件时，我们应该重视元器件的性能参数和质量可靠性。
同时，还应该考虑元器件之间的兼容性和匹配性。
选择高品质、可靠的元器件是确保电路设计稳定性和可靠性的关键要素之一。
四、信号完整性分析与电磁兼容性设计信号完整性分析和电磁兼容性设计是实现电路稳定性和可靠性的重要环节。
通过分析信号完整性，可以发现电路中的信号失真、时序问题等，从而进行相应的优化和修正。
而电磁兼容性设计则可以保证电路在复杂的电磁环境中正常工作，减少电磁干扰对电路性能的影响。
这些分析和设计手段可以帮助我们充分评估和改善电路的可靠性和稳定性。
五、模拟仿真与优化利用电路设计软件进行仿真和优化是提高电路设计可靠性和稳定性的重要手段。
通过仿真，我们可以验证电路在不同条件下的工作情况，并进行必要的修改和优化。
在仿真过程中，我们还可以通过参数扰动、敏感性分析等方法来评估电路设计的稳定性和可靠性，并对其进行相应改进。
第八章 数字集成电路基本单元及版图(续)
漏极开路输出单元
如果希望系统支持多个集成电路的正常逻辑 输出同时到总线以实现某种操作，就必须对集成 电路的输出单元进行特殊的设计以支持“线逻 辑”。同时，总线也将做适当的改变。 漏极开路输出单元结构就是其中的一种。下 图给出了两种漏极开路结构的输出单元，其中 （a）图的内部控制信号是通过反相器反相控制 NMOS管工作的方式，（b）图是同相控制的方 式。
动态存储器DRAM (Dynamic RAM)
主要指标：存储容量、存取速度。
存储容量: 用字数×位数表示，也可只用位数表 示。如，某动态存储器的容量为109位/片。 存取速度：用完成一次存取所需的时间表示。 高速存储器的存取时间仅有10ns左右。
存储单元的等效电路（1）
字线 字线
VP 位线 (a) DRAM 位线 (b) SRAM 位线
漏极开路输出单元
（a）反相器反相控制方式
（b）同相控制的方式
漏极开路结构实现的线逻辑
Vcc bi
A1
A2
目的：减少电 AN
表达式为
路结构和成本
bi A1 A 2 A N A1 A 2 A Nห้องสมุดไป่ตู้
输入、输出双向三态单元（I/O PAD）
在许多应用场合，需要某些数据端同时具有输入、输 出的功能，或者还要求单元具有高阻状态。在总线结构的 电子系统中使用的集成电路常常要求这种I/O PAD。下 图是一个输入、输出双向三态的I/O PAD单元电路。
存储单元的等效电路（2）
字线 Cut 位线 (c) 熔丝型ROM 位线 (d) EROM(EEPROM) 位线 (e) FRAM 字线 浮栅 字线
DRAM
随着高密度存储器的不断发展，存 储单元尺寸逐渐减小，这种趋势使得结 构简单的动态RAM成为首选。 DRAM单元发展过程中出现几个阶 段，这些阶段的发展使得DRAM的单元 面积越来越小。
数字集成电路第8章
最坏情况, 只有一个驱动管导通时 的VoL 值, 对于给定
2 Gon Ron
2 VOL I D kE VOH VTE VOL 2 I D / VOL k E VOH VTE VOL
Gon k A VOH VTE VOL k B VOH VTE VOL
改进多米诺CMOS逻辑
• 省掉多米诺缓冲器,级联的各逻辑块交替地 由P型管和N型管构成 • 当¢=0,第一级预充到高电平(NMOS管逻辑), 第二级预充到低电平,第三级预充到高电平. • 由于第二级由PMOS管构成,在预充电期间, PMOS管都处于截止状态. • 由于第二级预充到低电平,第三级NMOS管也 都处于截止状态. • 因此可以进行多米诺连接
A B R L L
2VTL (VOL )
2 2 OL
VOH
VTD VOL
V 2
NMOS与非门
R 相当倒相器的两倍 ， 要得到相同的
VOL 与非门每个驱动门所占 芯片面积相 当倒相器的两倍 ； 两个驱动管相串联 ， 导通时等效电阻等于两 者之和 RON RONA RONB RON 2 RONA 2 RONB
NMOS与非门输出电容
VB VOH VB 0 或 V A VOH V A VOH COUT CGDA CGSA CGDB CGDL C LINE CG k (VOH , VOL )(C DBA C SBA C DBB C SBL ) V A 0 VB 0 或 VB VOH V A 0 COUT CGDA CGDL C LINE CG k (VOH , VOL )(C DBA C SBL )
数字电子技术》电子教案
《数字电子技术》电子教案第一章：数字电路基础1.1 数字电路概述数字电路的基本概念数字电路的特点数字电路的应用领域1.2 数字逻辑基础逻辑门逻辑函数逻辑代数1.3 数字电路的表示方法逻辑电路图真值表卡诺图第二章：组合逻辑电路2.1 组合逻辑电路概述组合逻辑电路的定义组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的应用2.2 常见的组合逻辑电路编码器译码器多路选择器算术逻辑单元2.3 组合逻辑电路的设计方法最小化方法卡诺图化简法逻辑函数的优化第三章：时序逻辑电路3.1 时序逻辑电路概述时序逻辑电路的定义时序逻辑电路的特点时序逻辑电路的应用3.2 常见的时序逻辑电路触发器计数器寄存器移位寄存器3.3 时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路的建模状态编码的设计时序逻辑电路的仿真第四章：数字电路的设计与仿真4.1 数字电路设计流程需求分析逻辑设计电路实现测试与验证4.2 数字电路仿真技术数字电路仿真原理常用仿真工具仿真举例4.3 数字电路的测试与维护数字电路测试方法故障诊断与定位数字电路的维护与优化第五章：数字系统的应用5.1 数字系统概述数字系统的定义数字系统的特点数字系统的应用领域5.2 数字系统的设计方法数字系统设计流程数字系统模块划分数字系统的设计工具5.3 数字系统的应用实例数字控制系统数字通信系统数字音频处理系统第六章：数字集成电路6.1 数字集成电路概述数字集成电路的分类数字集成电路的优点数字集成电路的应用6.2 集成电路的制造工艺晶圆制造集成电路布局布线集成电路的封装与测试6.3 常见数字集成电路MOSFETCMOS逻辑门集成电路的封装类型第七章：数字信号处理器（DSP）7.1 数字信号处理器概述数字信号处理器的定义数字信号处理器的特点数字信号处理器的应用7.2 数字信号处理器的结构与工作原理中央处理单元（CPU）存储器输入/输出接口7.3 数字信号处理器的编程与开发编程语言开发工具与环境编程举例第八章：数字系统的可靠性8.1 数字系统的可靠性概述数字系统可靠性的重要性影响数字系统可靠性的因素数字系统可靠性评估方法8.2 数字系统的容错技术冗余设计容错算法故障检测与恢复8.3 数字系统的可靠性测试与验证可靠性测试方法可靠性测试指标可靠性验证实例第九章：数字电子技术的创新与应用9.1 数字电子技术的创新新型数字电路技术数字电子技术的研究热点数字电子技术的未来发展趋势9.2 数字电子技术的应用领域物联网生物医学工程9.3 数字电子技术的产业现状与展望数字电子技术产业概述我国数字电子技术产业发展现状数字电子技术的市场前景第十章：综合实践项目10.1 综合实践项目概述项目目的与意义项目内容与要求项目评价与反馈10.2 综合实践项目案例数字频率计的设计与实现数字音调发生器的设计与实现数字控制系统的设计与实现10.3 项目实施与指导项目实施流程项目指导与支持项目成果展示与讨论重点和难点解析1. 数字电路基础：理解数字电路的基本概念、特点及应用领域，掌握逻辑门、逻辑函数和逻辑代数的基础知识，熟悉数字电路的表示方法。
电路基础原理概述电路的稳定性和极点分析方法
电路基础原理概述电路的稳定性和极点分析方法电路基础原理概述：电路的稳定性和极点分析方法电路是由电子元件组成的系统，它可以用于控制和传输电能。
在电路中，稳定性是一个关键概念，指的是电路能够保持正常工作状态，不受外界扰动的影响。
而极点分析方法则是一种用于分析和评估电路的稳定性的重要工具。
一、电路的稳定性在电路中，稳定性是指电路在各种条件下能够保持其设计性能的能力。
电路的稳定性与很多因素有关，包括元件的参数、电路的结构和工作环境等。
一个稳定的电路能够在不同的工作条件下保持其输出信号的稳定性和可靠性。
在电路设计中，我们通常希望电路具有良好的稳定性，避免出现信号失真或者频率偏移的情况。
为了评估电路的稳定性，我们可以使用极点分析方法。
二、极点分析方法极点分析方法是一种用于分析电路稳定性的重要方法。
它通过分析电路的极点位置和性质，来评估电路的稳定性。
极点是指电路的传输函数在复平面上的根，它反映了电路系统的动态特性。
在极点分析中，一般会使用极点图来表示电路的稳定性。
极点图是一个复平面上的图形，其中每个点表示了电路传递函数的一个极点。
通过观察极点图的形状和分布，我们可以判断电路的稳定性。
对于一个稳定的电路，其极点应该满足一定的条件。
比如，对于一个线性时不变系统，所有的极点应该位于左半平面。
如果有极点位于右半平面，那么电路就是不稳定的，容易产生震荡或者不可预测的行为。
在电路设计中，我们可以通过调整元件参数或者改变电路结构来改善电路的稳定性。
通过极点分析，我们可以确定哪些参数或者结构的改变会对电路的稳定性产生影响，并作出相应的调整。
三、电路稳定性的应用电路的稳定性在实际应用中具有重要意义。
在各种电子设备中，稳定性都是一个关键指标。
比如，对于音频放大器来说，稳定性决定了其输出信号的质量和可靠性。
对于射频电路来说，稳定性则决定了信号的传输质量和频率稳定性。
根据电路的具体应用需求，我们可以针对性地进行电路的稳定性设计。
通过合理选择元件和调整电路结构，我们可以提高电路的稳定性，从而满足不同应用的要求。
数字电子技术第8章可编程逻辑器件
前面介绍的FPLA的电路结构不含触发器，因此这 种FPLA只能用于设计组合逻辑电路，故称为组合型 FPLA。
为便于设计时序逻辑电路，在有些FPLA芯片内部 增加了若干触发器组成的寄存器。这种内部含有寄 存器的FPLA称为时序逻辑型FPLA，也称做可编程 逻辑时序器PLS（Programmable Logic Sequeneer）。
Q0n+1=Q3 Q2 Q1+Q3 Q2 Q1+Q3 Q2 Q1+ Q3 Q2 Q1
从上式即可写出每个触发器的驱动方程，即D端 的逻辑函数式。同时，考虑到要求具有置零功能， 故应在驱动方程中加入一项R。当置零输入信号 R=1时，在时钟信号到达后所有触发器置1，反相后 的输出得到Y3 Y2 Y1 Y0=0000。于是得到驱动方程为
图8.3.9 产生16种算术、逻辑运算的编程情况
(8-22)
十进 8.3.3PAL的应用举例
制数
二 进制 数
Y0 Y1 Y2
例8.3.1 用PAL器件设计一个数值判别电路.要求判断4位 D C B A 二进制数DCBA的大小属于0~5、6~10、11~15三个区间的 0 0 0 0 0 1 0 0 哪一个之内。 1 0 0 0 1 1 0 0
FPLA由可编程的与逻辑阵列和可编程的或逻 辑阵列以及输出缓冲器组成，如图所示。
(8-8)
PLA结构 逻辑功能可 变化的硬件 结构。
可编程
将FPLA和ROM 比较可发现，它们 的电路结构极为相 似，都是由一个与 逻辑阵列、一个或 逻辑阵列和输出缓 冲器组成。两者所 不同的是，FPLA的 与阵列可编程，而 ROM的与阵列（译 码器）是固定的。
第八章 可编程逻辑器件（PLD）
数字电路各章的重点、难点和教学要求
一、各章的重点、难点和教学要求（这里所的难点内容中的难点，不包括非重点内容中的难点。
）第一章逻辑代数基础逻辑代数是本书中分析和和设计数字逻辑电路时使用的主要数学工具，所以把它安排在第一章。
本章重点内容有：1、逻辑代数的基本公式和常用公式：2、逻辑代数的基本定理；3、逻辑函数的各种表示方法及相互转换；4、逻辑函数的化简方法；5、约束项、任意项、无关项的概念以及无关项在化简逻辑函数中的应用。
“最小项”和“任何一个逻辑函数式都可以化为最小项之和形式”是两个非常重要的概念，在逻辑函数的化简和变换中经常用到。
而“最大项”用得很少，不是本章的重点内容。
第一章里没有太难掌握的内容。
稍微难理解一点的是约束项、任意项、无关项这几个概念。
建议讲授过程中多举几个例子，这样可加深对这几个概念的理解。
第二章门电路虽然这章讨论的只是门电路铁外特性，但无论集成电路内部电路多么复杂，只要它们和这一章所讲的门电路具有相同的输入、输出电路结构，则这里对输入、输出特性的分析对它们也同样适同。
因此，这一章是全书对电路进行分析的基础。
本章的重点内容包括以下三个方面：1、半导体二极管三极管（包括双极型和MOS型）开关装态下的等效电路和外特性；2、TTL电路的外特性及其应用；3、CMOS电路的外特性及应用。
为了正确理解和运用这些外特性，需要了解TTL电路和CMOS电路的输入电路和输出电路结构及它们的工作原理。
内部的电路结构不是重点内容。
鉴于CMOS电路在数字集成电路中所占的比重已远远超过了TTL电路，建议在讲授时适当加大C MOS电路的比重，并相应压缩TTL电路的内容。
其他类型的双极型数字集成电路属于扩展知识面的内容。
第2.8节两种集成电路的接口问题可以作为学生自学时的阅读材料。
TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。
尤其是输入端采用多发射极三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。
从实用的角度出发，只要弄清输入为高/低时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了。
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时序网络分析方法
状态流程图分析方法
状态流程图分析实例
2021/1/15
数字集成电路设计基础
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第八章 稳定性分析——稳定性问题与理解
稳定性问题提出
VLSIC系统是由上千万门和模拟单元构成的庞大电 路系统，时序逻辑复杂；
两维结构（输入和控制）的电路形式，存在时延和干 扰；
画出 时序图
第四步：构建状态转移表
Q1n+1=(Q2Q3)’Q1’ Q2n+1=Q1Q2’+(Q1’Q3’)Q2 Q3n+1=Q1Q2Q3’+Q2’Q3
Y=Q2Q3
Q3Q2Q1
000 001 010 011 100 101 110 111
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数字集成电路设计基础
Q3n+1Q2n+1Q1n+1
写出 输出方程
得到状态 转移表
利用转移表画 出状态转移图
画出状态 转移图
画出 时序图
将触发器的激励 方程代入触发器 的特性方程，得 到次态方程
利用得到的次 态方程得到状 态转移表
利用次态方程 和输出方程画 出时序图
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数字集成电路设计基础
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
(6)
(7) (8)
(9)
(11) (10) (12)
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数字集成电路设计基础
R和S不能同时撤销， 否则会导致状态不确定。
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第八章 稳定性分析——稳定性问题与理解
稳定性理解
在VLSIC系统中，模拟电路的抗噪性能和数字电路的 时延以及逻辑竞争等都会直接影响到系统的稳定性， 本章节只围绕VLSIC数字电路稳定性展开分析。
时序网络的解析分析方法
主从式触发的J-K触发器 与非门
内置的与门
反相器
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
：写出 激励方程
写出 次态方程
写出 输出方程
得到状态 转移表
画出状态 转移图
画出 时序图
第一步：写出激励方程
J1=(Q2Q3)’ K1=1
J2=Q1
K2=(Q1’Q3’)’
J3=Q1Q2 K3=Q2
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
：写出 激励方程
写出 次态方程
写出 输出方程
得到状态 转移表
画出状态 转移图
画出 时序图
第二步：把激励方程带入触发器的特性方程， 得到次态方程
激励方程
J1=(Q2Q3)’ K1=1
VLSIC遵循摩尔定律，器件尺寸不断缩小，其性能受 寄生参数的影响较大，抗干扰性差；
VLSIC系统电压较低，逻辑摆幅较小，系统的噪声容 限变小了，极易受到脉冲干扰；
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第八章 稳定性分析——稳定性问题与理解
RS触发器的典型操作
(1)
(3)
(2)
(5) (4)
对于VLSIC系统来说，其输出信号不仅是该时刻输入 信号的函数，也是过去输入信号的函数，即具有时序 电路的特性。
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第八章 稳定性分析——稳定性问题与理解
时序网络稳定性的一般理解
逻辑单元的稳定性
输入值与输出值的核对结果符合真值表时，称该 逻辑门是稳定的。但逻辑门不都是理想的，它们都有 延迟正在传递的信号的作用。虽然这种延迟可能是很 小的，但总是存在。即可能有一个很短的时间间隔， 逻辑门的状态与真值表不相一致。这个违反真值表的 时间间隔，称为不稳定期间。
稳定性分析方法
对于数字系统时序网络稳定性的分析方法有很多 种，这里只重点讲解两种常用的分析方法。
解析法
状态流程图
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
时序网络的解析分析方法
按照电路写出各 个触发器的激励 方程
写出 激励方程
写出 次态方程
按照电路连接 写出输出方程
Mealy型时序电路
下一状态逻辑 F
状态寄存器 输出逻辑 G
激励
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当前状态
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第八章 稳定性分析——时序网络的分类
Moore型时序电路
下一状态逻辑 F
状态寄存器
输出逻辑 G
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
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数字集成电路设计基础
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第八章 稳定性分析——时序网络的分类
时序网络分类
Mealy型时序电路
– 输出依赖于当前的
激励
网络状态和当前的
输入
Moore型时序电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
激励
–输出只依赖于电路 当前的状态，和当前 输入无关
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第八章 稳定性分析——时序网络的分类
J2=Q1
K2=(Q1’Q3’)’
J3=Q1Q2 K3=Q2
JK触发器的特征方程 Qn1 JQn KQn
Q1n+1=(Q2Q3)’Q1’
次态方程 Q2n+1=Q1Q2’+(Q1’Q3’)Q2
Q3n+1=Q1Q2Q3’+Q2’Q3
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
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第八章 稳定性分析——稳定性问题与理解
时序网络稳定性的一般理解
时序网络的稳定性
当时序网络中所有的门都是稳定的时候，并且其 组成的时序系统也是稳定的时候，称该时序网络是稳 定的。因为逻辑门只要有足够的时间，总是可以趋向 稳定。与逻辑门不同，而时序网络可能从一个不稳定 状态移动到另一个不稳定状态上去。
：写出 激励方程
写出 次态方程
写出 输出方程
得到状态 转移表
画出状态 转移图
画出 时序图
第三步：按照电路图得到输出方程
输出方程 Y=Q2Q3
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第八章 稳定性分析——稳定性分析方法
：写出 激励方程
写出 次态方程
写出 输出方程
得到状态 转移表
画出状态 转移图
数字集成电路设计基础-第八章 稳定 性分析
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第八章 数字系统稳定性分析与设计
对于数字系统来说，稳定无故障工作是基 本的要求，然而在实际设计和应用中，数字系 统的稳定性是非常复杂的，因此稳定性是数字 系统设计与实现的核心问题之一。
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数字集成电路设计方法
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第八章 数字系统稳定性分析与设计
Y
001
0
010
0
011
0
100
0
101
0
110
0
000
1
000