常用时序集成电路介绍
数字ic soc中的上下电时序
一、ic soc中的上下电时序概述IC SOC（System on Chip）是指将多个功能集成在一个芯片上的集成电路系统，它具有高性能和低功耗的特点，广泛应用于电子产品中。
在IC SOC的设计和使用中，上下电时序是非常重要的，它直接影响着芯片的性能和稳定性。
本文将从上下电时序的概念、原理和设计要点等方面进行介绍。
二、上下电时序的概念上下电时序是指IC SOC在工作过程中的上电和下电时序。
上电时序是指芯片在上电过程中各个电源和信号的建立时间。
下电时序是指在断电过程中芯片各个模块的关闭时间。
上下电时序对芯片的正常工作、稳定性和寿命等都有重要影响。
三、上下电时序的原理在IC SOC中，上下电时序的原理主要包括内部模块的电源管理、时钟树的同步和数据传输的稳定等。
在上电时，各个模块需要按照一定的顺序建立电源和信号，以保证芯片整体的稳定和正常工作。
在下电时，各个模块也需要按照一定的时序进行关闭，以避免数据丢失和系统崩溃。
四、上下电时序的设计要点1. 测试和验证：在设计IC SOC时，需要对上下电时序进行充分的测试和验证，以保证芯片在各种情况下都能正常工作。
2. 时序规划：在设计芯片的时候，需要对上下电时序进行合理的规划，以确保芯片的稳定性和可靠性。
3. 约束设置：在设计工具中，需要对上下电时序进行严格的约束设置，以保证芯片的上下电时序满足实际需求。
五、上下电时序的实际应用在实际应用中，上下电时序的设计和验证是IC SOC设计工程师需要重点关注的内容。
只有合理设计和严格验证上下电时序，才能保证芯片的正常工作和稳定性。
六、总结上下电时序是IC SOC设计中的重要环节，它直接关系到芯片的性能和稳定性。
设计工程师需要充分理解上下电时序的概念、原理和设计要点，从而在实际工作中能够合理规划和有效实施上下电时序的设计和验证工作。
只有这样，才能保证IC SOC在各种应用场景下都能够正常工作和稳定运行。
七、上下电时序的调整和优化在实际应用中，为了进一步提高IC SOC的性能和稳定性，设计工程师需要对上下电时序进行调整和优化。
555电路原理
555电路原理
555电路原理是一种常用的集成电路，其主要功能是产生稳定
的时序信号。
555电路原理的核心是一对比较器、一个RS触
发器和一对输出驱动器。
比较器是555电路原理的核心部分，其作用是根据输入信号的电平大小来判断输出信号的高低电平。
RS触发器是一个状态
存储器，通常由两个互补的触发器构成。
当RS触发器的S端（Set）和R端（Reset）分别接收到高电平信号时，触发器的
输出状态会相应变化。
输出驱动器则用来驱动外部负载，使得555电路原理的输出信号能够对外部设备产生影响。
555电路原理的工作原理是基于固定的参考电压和可调的阈值
电压来产生稳定的时序信号。
当输入电压超过阈值电压时，输出会由低电平变为高电平；当输入电压低于阈值电压时，输出会由高电平变为低电平。
而输入电压和阈值电压之间的差值决定了输出信号的时间周期。
555电路原理在实际应用中具有广泛的用途，例如用作定时器、频率计、脉冲发生器等。
它的简单可靠和灵活性使得它成为电子工程师常用的集成电路之一。
时序逻辑电路
第五章时序逻辑电路前面介绍的组合逻辑电路无记忆功能。
而时序逻辑电路的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路原来的状态有关，或者说与电路以前的输入状态有关，具有记忆功能。
触发器是时序逻辑电路的基本单元。
本章讨论的内容为时序逻辑电路的分析方法、寄存器和计数器的原理及应用。
第一节时序逻辑电路的分析一、概述1、时序逻辑电路的组成时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路两部分组成，结构框图如图5-1所示。
图中外部输入信号用X（x1，x2，…，x n）表示；电路的输出信号用Y（y1，y，…，y m）表示；存储电路的输入信号用Z（z1，z2，…，z k）表示；存储电2路的输出信号和组合逻辑电路的内部输入信号用Q（q1，q2，…，q j）表示。
图5-1 时序逻辑电路的结构框图可见，为了实现时序逻辑电路的逻辑功能，电路中必须包含存储电路，而且存储电路的输出还必须反馈到输入端，与外部输入信号一起决定电路的输出状态。
存储电路通常由触发器组成。
2、时序逻辑电路逻辑功能的描述方法用于描述触发器逻辑功能的各种方法，一般也适用于描述时序逻辑电路的逻辑功能，主要有以下几种。
（1）逻辑表达式图5-1中的几种信号之间的逻辑关系可用下列逻辑表达式来描述：Y =F(X，Q n)Z =G(X，Q n)Q n+1=H(Z，Q n)它们依次为输出方程、状态方程和存储电路的驱动方程。
由逻辑表达式可见电路的输出Y不仅与当时的输入X有关，而且与存储电路的状态Q n有关。
（2）状态转换真值表状态转换真值表反映了时序逻辑电路的输出Y、次态Q n+1与其输入X、现态Q n的对应关系，又称状态转换表。
状态转换表可由逻辑表达式获得。
（3）状态转换图状态转换图又称状态图，是状态转换表的图形表示，它反映了时序逻辑电路状态的转换与输入、输出取值的规律。
（4）波形图波形图又称为时序图，是电路在时钟脉冲序列CP的作用下，电路的状态、输出随时间变化的波形。
应用波形图，便于通过实验的方法检查时序逻辑电路的逻辑功能。
清华大学《数字集成电路设计》周润德 第8章 时序电路
LOGIC对扰动不敏感（2）Register寄存器为存放二进制数据的器件，通常由Latch 构成。
一般地，寄存器为边沿触发。
（3）flip-flops（触发器）任何由交叉耦合的门形成的双稳电路Register 时序参数D Q Clk T Clk D tsu Q tc-q thold注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。
2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 11 页Latch 时序参数Latch 的时序（ Timing ）参数还要考虑tD 2 D Q DQtD-qQClkClktC 2QtC 2Q寄存器（Register）2004－12－1锁存器（Latch）第 8 章 (1) 第 12 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德Latch 时序参数D Q Clk正电平 Latch 时钟负边沿T Clk D tc-q PWm thold td-q tsuQ注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。
2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 13 页最高时钟频率φ FF’s LOGIC tp,comb最高时钟频率需要满足：tclk-Q + tplogic+ tsetup < T =但同时需要满足:其中tplogic = tp,comb (max) tcd:污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）第 8 章 (1) 第 14 页tcdreg + tcdlogic > thold =2004－12－1其中清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德研究不同时刻 （t1, t2）FF1φ (t1) LOGIC t p,combφ (t2)CLKt1tsu D tholdFF1 输入数据 应保持稳定t tsuF F2t2holdtFF2 输入数据 应保持稳定tclk-q QFF1 输出数据 经组合逻辑到达 t 已达稳定 寄存器输入端tclk-Qtp,comb (max）tsetup因此要求：tclk-Q + tp,comb (max) + tsetup < T =2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 15 页研究同一时刻 （t1）t1 时FF1φ (t1) LOGIC FF1 t p,combt1 时FF2输入数据（2）φ (t1)输入数据（1）tclk-q QFF1 输出数据 已达稳定经组合逻辑已 到达FF2 输入端破坏了本应保 持的数据（2）tt1tcdregtcdlogicholdsuD输入数据（2）应保持稳定至 t1F F2t因此要求 := tcd: 污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 16 页tcdreg + tcdlogic > thold写入（触发）静态 Latch 的方法：以时钟作为隔离信号, 它区分了“透明” （transparent ）和“不透明” （opaque）状态CLKCLKQ CLKD CLKDD弱反相器CLKMUX 实现弱反相器实现（强制写入）（控制门可仅用NMOS实现）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德第 8 章 (1) 第 17 页Latch 的具体实现基于Mux 的 Latch负（电平） latch (CLK= 0 时透明) 正（电平） latch (CLK= 1 时透明)1 D 0Q D0 1QCLKCLKQ = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In2004－12－1Q = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In第 8 章 (1) 第 18 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德基于（传输门实现的） Mux 的 LatchCLKQ CLK DCLK（1）尺寸设计容易 （2）晶体管数目多（时钟负载因而功耗大）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 19 页基于（传输管实现）Mux 的 Latch（仅NMOS 实现）CLK QM QM CLK CLKCLK仅NMOS 实现不重叠时钟 （Non-overlapping clocks）（1）仅NMOS 实现，电路简单，减少了时钟负载 （2）有电压阈值损失（影响噪声容限和性能，可能引起静态功耗）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 20 页Q单元形式的Latch采用串联电压开关逻辑（CVSL）QNon-overlap时间过长，存储在动态节点上的电荷会泄漏掉（故称伪静态）低电压静态Latch双边沿触发寄存器RS Latch?动态Latch 和Register（1）比静态Latch和Register 简单（2）基于在寄生电容上存储电荷，由于漏电需要周期刷新（或经常更新数据）（3）不破坏的读信息：因此需要输入高阻抗的器件传输门构成的动态边沿触发寄存器（只需8 个晶体管，节省功耗和提高性能，甚至可只用NMOS 实现）动态节点。
数电第六章时序逻辑电路
• 根据简化的状态转换图，对状态进行编码，画出编码形式 的状态图或状态表
• 选择触发器的类型和个数 • 求电路的输出方程及各触发器的驱动方程 • 画逻辑电路图，并检查电路的自启动能力 EWB
典型时序逻辑集成电路
• 寄存器和移位寄存器 – 寄存器 – 移位寄存器 –集成移位寄存器及其应用 • 计数器 – 计数器的定义和分类 – 常用集成计数器 • 74LVC161 • 74HC/HCT390 • 74HC/HCT4017 – 应用 • 计数器的级联 • 组成任意进制计数器 • 组成分频器 • 组成序列信号发生器和脉冲分配器
– 各触发器的特性方程组：Q n1 J Q n KQ n CP
2. 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组
n n FF0：Q0 1 Q 0 CP n n n FF1：Q1 1 A Q0 Q1 CP
同步时序逻辑电路分析举例(例6.2.2C)
分析时序逻辑电路的一般步骤
• 根据给定的时序电路图写方程式 – 各触发器的时钟信号CP的逻辑表达式(同步、异步之分) – 时序电路的输出方程组 – 各触发器的驱动（激励）方程组 • 将驱动方程组代入相应触发器的特性方程,求出各触发器 的次态方程,即时序电路的状态方程组 • 根据状态方程组和输出方程组,列出该时序电路的状态 表,画状态图或时序图 • 判断、总结该时序电路的逻辑功能
• 电路中存在反馈
驱动方程、激励方程: E F2 ( I , Q )
状态方程 : Q n1 F3 ( E , Q n ) • 电路状态由当前输入信号和前一时刻的状态共同决定
• 分为同步时序电路和异步时序电路两大类
什么是组合逻辑电路?
常用时序分析SDC
常用时序分析SDC时序分析(SDC)是一种通过对电气信号或数字信号的流动和延迟进行建模和仿真，以评估和优化电路性能的方法。
它广泛应用于集成电路设计、数字信号处理、通信系统和计算机网络等领域。
本文将介绍常用的时序分析方法和工具。
时序分析的基本原理是将电路中的时钟信号作为参考，通过计算信号延迟和时序约束来评估电路的性能。
时序分析的主要目标是确保电路在时钟周期内的正确操作，以及满足时序约束，如输入输出的保持时间、上升时间和下降时间等。
常用的时序分析方法包括路径延迟分析、时钟域交叉点分析、时钟域插入延迟分析和正态分布时延分析等。
路径延迟分析是时序分析的基础，它用于计算信号从输入到输出的总延迟。
该分析方法基于信号在电路中传播的时间和路径，并根据电路中的逻辑门和线缆的延迟模型，计算每个路径的延迟。
路径延迟分析通常用于检测潜在的时序故障，如不满足时序约束的路径。
时钟域交叉点分析是用于检测和修复时钟域之间的交叉点的时序分析方法。
时钟域交叉点是指时钟边沿和非时钟边沿之间的特殊点，在这些点上信号可能发生非同步转换，导致时序故障。
时钟域交叉点分析通过建立时钟域模型，预测信号在交叉点处的时延，并根据时序约束进行优化。
时钟域插入延迟分析是为了解决时钟信号在时钟分配网络中传播的延迟问题而提出的。
时钟信号在时钟分配网络中传播的延迟会导致时序故障，因此需要对插入延迟进行建模和分析。
时钟域插入延迟分析通过建立时钟分配网络模型，计算插入延迟，并根据时序约束进行优化。
正态分布时延分析是一种考虑变化的时延和时钟抖动的高级时序分析方法。
在集成电路设计中，由于制造偏差、温度变化和电压噪声等因素，电路的时延和时钟信号的抖动会出现一定的变化。
正态分布时延分析通过建立变化模型，并根据正态分布进行分析，可以更准确地评估电路的性能。
除了上述方法外，还有一些常用的时序分析工具，如PrimeTime、Tempus、HyperLynx和ModelSim等。
数字集成电路(时序逻辑电路)
目录
• 引言 • 时序逻辑电路的基本概念 • 数字集成电路的组成 • 时序逻辑电路的分析方法
目录
• 引言 • 时序逻辑电路的基本概念 • 数字集成电路的组成 • 时序逻辑电路的分析方法
目录
• 时序逻辑电路的设计方法 • 时序逻辑电路的应用 • 时序逻辑电路的发展趋势和挑战
逻辑门
01
逻辑门是数字集成电路的基本组成单元，用于实现逻辑运算（如AND、 OR、NOT等）。
02
常见的逻辑门有TTL（Transistor-Transistor Logic）和CMOS （Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等类型。
03
逻辑门通常由晶体管组成，通过不同的组合和连接方式实现各种逻辑 功能。
目录
• 时序逻辑电路的设计方法 • 时序逻辑电路的应用 • 时序逻辑电路的发展趋势和挑战
01
引言
01
引言
主题简介
数字集成电路
数字集成电路是利用半导体技术将逻 辑门、触发器等数字逻辑单元集成在 一块衬底上，实现数字信号处理功能 的集成电路。
时序逻辑电路
时序逻辑电路是一种具有记忆功能的 电路，其输出不仅取决于当前的输入 ，还与电路的先前状态有关。常见的 时序逻辑电路有寄存器、计数器等。
时序图
通过图形方式表示时序逻辑电路的输入和输出随时间变化的规律，能够直观地展 示电路的工作过程。
逻辑方程和时序图
逻辑方程
描述时序逻辑电路输入和输出关系的数学表达式，通常由触发器的状态方程和输 出方程组成。
时序图
通过图形方式表示时序逻辑电路的输入和输出随时间变化的规律，能够直观地展 示电路的工作过程。
集成电路中的高精度时钟和时序设计方法
集成电路中的高精度时钟和时序设计方法高精度时钟和时序设计方法是集成电路设计中非常重要的一部分。
随着现代电子设备对时钟和时序要求的不断提高，需要能够提供高精度时钟和可靠的时序设计来满足不同应用的需求。
本文将从时钟和时序设计的基本概念、设计方法、以及相关技术的发展等方面进行介绍。
一、时钟和时序设计的基本概念时钟是任何数字电路的基础，它用来为芯片中的各个模块提供同步的时间基准。
时钟信号通常是一个周期性方波信号，其频率由晶体振荡器或者外部源提供。
时钟信号的频率和稳定性对整个系统的性能有着非常重要的影响。
而时序设计则是指在特定的时序条件下，确保各个电路模块的输入输出性能和指定的时间要求相符。
二、高精度时钟设计方法1. 晶体振荡器的选择与优化晶体振荡器是产生高精度时钟信号的核心部件，因此在进行高精度时钟设计时，选择合适的晶体振荡器非常关键。
一般选择低相位噪声、低抖动、高稳定性的晶体振荡器。
此外，优化振荡器的布局和硅片的物理结构，降低外界干扰和内部耦合，进一步提高振荡器的性能。
2. 时钟分频和锁相环技术时钟信号的频率通常要求非常高，但是芯片中不同模块对时钟信号的频率要求并不相同。
因此，可以利用时钟分频技术将高频时钟分频为各个模块所需的频率。
此外，锁相环（PLL）技术也被广泛应用于高精度时钟设计中，它可以将外部时钟信号锁定为内部倍频的高稳定性时钟信号。
3. 去除时钟抖动和噪声时钟信号中的抖动和噪声会直接影响到整个系统的性能。
因此，在高精度时钟设计中，需要采取一系列措施来降低时钟信号的抖动和噪声。
这可以包括差分时钟设计、时钟缓冲和滤波电路的设计等。
三、高精度时序设计方法1. 时序分析和约束时序分析是指通过对设计电路中的信号路径进行分析，获得信号在电路中传输的时间延迟等信息。
同时，根据设计要求和制造工艺的要求，制定相应的时序约束。
时序约束可以包括时钟频率、时钟间隔、各个电路模块的输入输出延迟等。
2. 布线和时序优化布线是非常关键的一步，它直接影响到时序的性能。
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(1) 同步预置法
例1:设计一个M=10的计数器。
方法一: 采用后十种状态
态序表 计数 输 出
1R R
LD
LD
1 1
CTT CTP
CTT CTP
f CP CP
74163
CO 1
CCOO
f/10
0
CO=1
N Q3 Q2 Q1 Q0
0 0110 1 0111 2 1000 3 1001 4 1010
CP上升沿有 效。
中间信号IQ 是为了交换中间
数据。如果直接
用输出Q，那么 定义的输出必须 为C缓R_冲L表而示不清是输 零信出号。且为低电 平有效。
（二）四位二进制同步计数器74163
74163功能表
特点：74161功能表
输入
输 出 (1)外引线排列和
CP R
×↑ 0
↑1 ×1
LD CTP CTT D3 D2 D1 D0 × × × ×××× 0 × × D3 D2 D1 D0
第一节 计数器
•部分常用集成计数器
第一节 计数器
四位二进制同步计数器 四位二进制可逆计数器 中规模异步计数器
一、四位二进制同步计数器
（一） 四位二进制同步计数器74161 （二） 四位二进制同步计数器74163 （三） 74161/74163功能扩展
（一）四位二进制同步计数器74161
逻辑符号
LD
LD
CCOO CO 称之为异步清零。端子输入
CTT
CTT
CTP
CTP
端用此R说端输明入。信号用LD表示。
CP
CP
时钟输入信号用CP表示。
D0
D0
D1
D1
D2
D2
D3
D3
Q0 Q1
QD0 QD1
当CP上升沿, 并且CTT和CTP 有 效时，计数器加1计数。
Q2
QD2
Q3
QD3
（一）四位二进制同步计数器74161
1 0 × ××××
Q3 Q2 Q1 Q0 0000 D3 D2 D1 D0
保持
74161相同。 (2)置数，计数， 保持功能与74161相
× 1 1 × 0 ××××
保持 同。
↑ 1 1 1 1 ××××
计数 (3)清零功能与
74163采用同步清零方式： 74161不同。
当R =0时，且当 CP 的上升沿
EDLS:IINF U(CNTSTIGANEDDC(T3PD)=O’1W’ TNHTEON0IQ); <= IQ+1 EQN:DOUIFT; UNSIGNED (3 DOWNTO 0); IFCO(IQ:O=U15T)SATNDD_L(OCTGTIC=)’1;’) THEN CO <= ‘1’; ENDEvL7S4ELSC1O61<;= ‘0’; ARCHENITDECIFT;URE v74LS161_arch OF v74LS161 IS SIGENADLIFIQ；: UNSIGNED (3 DOWNTO 0); BEGQIN<=IQ; PERNODCEPSRSO(CCEPS,CST; T,CR_L) END v74LS161_arch;
00
D0
11
D1
11
D2
00
D3
Q0
Q0 0
Q1
Q1 1
Q2
Q1 2
Q3
Q0 3
5 1011 6 1100 7 1101 8 1110 9 1111
例2: 同步预置法设计 M=24 计数器。
（24）10=（11000）2
需两片
初态为：0000 0001 终态：00011000
× 1 1 0 × ××××
保持
× 1 1 × 0 ××××
保持
↑ 1 1 1 1 ××××
计数
1 2345678 R CP D0 D1 D2 D3 CTT GND
123发4数C)))O)异计同器。保=步数步均持C若T清：预处：T初Q除当置于当3态Q：L：保R2为QD=当当1持L=Q0DR00RC状=0=1=0011态时。，,，C15P。，第输个LT=DC出1C=C6TP0T个P“后，或T C=0，在CP10时T作0输CT0有，P用”出上状一按后为升态个二，“沿，无进输1时与1效制1出1，C”，自恢P，输无各然复进出关触码到位。计 端00反00映状输态入，数CO据=的0。状态。
C级发T联P、器使内C和T用部T控：。由可制四作电为个路使主构能从成端J。K和触多片
符当符Q号号3 Q中输2LQD1入Q端0=为中11有1R1 效时端时，有，且效此CT端T，等引在入
74161
R
R
此线入于电为端输1平时低数。入, 时字控为，送制且到低输时输出电钟出端平C端CPO。时上输同升出，步沿有输预时效置出，高。将为输0，
常用时序集成电路及其应用
内容
第一节 计数器 第二节 寄存器 第三节 序列码发生器 第四节 时序模块的应用 小结
第一节 计数器
•计数器的分类
用来计算输入脉冲数目
动画计数器
按进位方式，分为同步和异步计数器。
按进位制，分为模2、模10和任意模计数器。
按逻辑功能，分为加法、减法和可逆计数器。
按集成度，分为小规模与中规模集成计数器。
来到时,输出Q0Q1Q2Q3 才全被清零。
比较四位二进制同步计数器
74161
74163
74163
R
R
LD
LD
CTT
CTT
CTP
CTP
CP
CP
CCOO
CO 同步预置
保持
同步预置 保持
D0
D0
D1
D1
D2
D2
D3
D3
Q0
Q0 计数
计数
Q1
Q1
Q2
Q2
Q3 Q3 异步清零 同步清零
(三）74161/ 74163功能扩展 连接成任意模M 的计数器
（一）四位二进制同步计数器74161
用VHDL实现74161
LIBBREAGRINY IEEE USEIFIECERE_.Lst=d’0_’loTgHicE_N11I6Q4<.a=ll(;OTHERS => ‘0’); USEENIEDEEIF.s;td_logic_arith.all; ENTIFIT(YCPv7’E4VLESN16T1AISND CP=’1’) THEN PORIFTL(DC_PL,C=R’0_’LT,LHDE_NLI,CQT<P=,CDT;T:IN STD_LOGIC;
74161外引线功能端排列图
74161功能表
UCC CO Q0 Q1 Q2 Q3 CTP LD 16 15 14 13 12 1Байду номын сангаас 10 9
CP R
输入 LD CTP CTT
D3 D2 D1 D0
输出 Q3 Q2 Q1 Q0
× 0 × × × ×××× 0 0 0 0
74161
↑ 1 0 × × D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0