Podręcznik

3.10. Zegary i taktowanie

Zegar jest niezbędny w każdym układzie sekwencyjnym, a także w układach kombinacyjnych z bramkami dynamicznymi. W praktyce zegar jest potrzebny w każdym układzie cyfrowym, ponieważ układy cyfrowe przeznaczone do realizacji jako scalone układy CMOS są układami synchronicznymi. Stosowane są dwa sposoby generacji sygnałów zegarowych:

• zegar generowany w systemie poza układem,
• zegar generowany w układzie.

W pierwszym przypadku układ ma wejście dla zewnętrznego sygnału zegara. Sygnału tego zwykle nie dostarcza się bezpośrednio do bramek w układzie. Steruje on wewnętrznymi układami formującymi sygnały zegarowe i dostarczającymi je w wymagane miejsca. 

Drugi przypadek zachodzi wtedy, gdy nie ma potrzeby synchronizowania działania układu z innymi układami, na przykład wtedy, gdy układ stanowi funkcjonalną całość. Przykłady takich układów: układ do zegarka elektronicznego, układ prostego kalkulatora itp. W praktyce nie ma potrzeby samodzielnego projektowania oscylatorów, które generują sygnał zegara. Producenci układów ASIC dostarczają gotowe projekty takich oscylatorów w bibliotekach komórek standardowych. Na ogół trzeba do takiego oscylatora dołączyć z zewnątrz rezonator kwarcowy, który ustala częstotliwość zegara.

W dużym i złożonym układzie może być potrzebne wiele różnych sygnałów zegarowych różniących się fazą, a nawet częstotliwością. Są one wytwarzane z głównego sygnału zegarowego, dostarczanego z zewnątrz lub generowanego w układzie. Sygnał o częstotliwości n-krotnie mniejszej od głównego, gdzie n jest całkowitą wielokrotnością 2, uzyskuje się bez trudu przez użycie dzielnika częstotliwości. Sygnał o częstotliwości n-krotnie wyższej zsynchronizowany z sygnałem głównym jest trudniej uzyskać. Potrzeba takiego sygnału występuje z reguły tylko wtedy, gdy sygnał główny jest dostarczany z zewnątrz. Do synchronizacji wykorzystuje się układy pętli fazowej („phase-locked loop”, w skrócie PLL) dla synchronizacji wewnętrznego generatora sygnału o częstotliwości nf z zewnętrznym sygnałem o częstotliwości f. Układy PLL są skomplikowane, a ich projektowanie trudne. Temat ten wykracza poza ramy naszej opowieści o układach scalonych. 

Częstym, a znanym nam już przypadkiem jest przypadek zegara dwufazowego o fazach „1” nie nakładających się. Takie dwa sygnały zegarowe można łatwo wygenerować przy użyciu układu pokazanego na rysunku 3-17.

 

Rysunek 3 17. Układ generujący dwa sygnały zegarowe o fazach "1" nie nakładających się

 

Odstęp czasu między stanami „1” obu sygnałów jest regulowany opóźnieniami wprowadzanymi przez inwertery wprowadzone w pętlę sprzężenia zwrotnego. W razie potrzeby można wprowadzić zamiast dwóch - cztery inwertery lub większą (zawsze parzystą) ich liczbę.

Rozprowadzanie sygnału zegara w dużych układach jest poważnym problemem technicznym. W idealnym przypadku dla każdego taktowanego danym sygnałem zegarowym elementu układu (jak przerzutnik, bramka transmisyjna, rejestr itp.) stany jedynki i zera zegara powinny zaczynać się i kończyć w dokładnie tych samych momentach. Tylko wtedy układ jest rzeczywiście synchroniczny. W praktyce spełnienie tego warunku jest trudne. W dużych układach sygnały zegara są doprowadzone równocześnie do bardzo wielu wejść zegarowych w przerzutnikach, bramkach dynamicznych itp., a to oznacza, że układ, który jest źródłem sygnału zegara, jest obciążony bardzo dużą pojemnością. Dlatego stosuje się bufory, których zadaniem jest zapewnić jak najkrótsze czasy narastania i opadania impulsów sygnału zegarowego mimo dużej pojemności obciążającej. Takim buforem jest zwykle inwerter o stosunku W/L tranzystorów wynoszącym kilkaset, a nawet kilka tysięcy. Tranzystory takie mają wiele równolegle połączonych kanałów. Przykład konstrukcji takich tranzystorów był pokazany w części II na rysunku 4-4 - obejrzyj duże tranzystory nMOS i pMOS znajdujące się przy górnej krawędzi bloku pokazanego na tym rysunku. Inwerter z takimi tranzystorami nie może być sterowany bezpośrednio z inwertera lub bramki o „zwykłych” wymiarach tranzystorów, tj, o stosunku W/L rzędu 1 ... 10, ponieważ bardzo duże tranzystory same stwarzają duże obciążenie pojemnościowe, zbyt duże dla zwykłego inwertera lub bramki. Bufory zwykle buduje się jako łańcuchy inwerterów o stopniowo rosnących stosunkach W/L tranzystorów. Liczba buforów w takim łańcuchu może być nieparzysta lub parzysta, w zależności o tego, czy chcemy uzyskać na wyjściu sygnał zanegowany, czy też nie. Przykład tak zbudowanego bufora pokazuje rysunek 3-18. Prostą praktyczną regułą jest trzykrotne powiększanie szerokości tranzystorów w kolejnych inwerterach bufora.
 

Rysunek 3 18. Czterostopniowy bufor zegara, pokazane przykładowe wymiary tranzystorów w kolejnych stopniach

 

Na zasadzie pokazanej na rysunku 3-18 buduje się nie tylko bufory dla sygnału zegara, ale także bufory dla wszystkich innych sygnałów, które trzeba dostarczyć do obciążenia o dużej pojemności wejściowej (a także małej rezystancji).

W dużych układach liczących miliony bramek całkowita pojemność wszystkich wejść zegarowych jest tak duża, że pojedynczy bufor musiałby mieć absurdalnie duży stosunek W/L tranzystorów. W takim przypadku układ dzieli się na fragmenty mające mniej więcej jednakowe pojemności wejść zegara i do każdego z tych fragmentów doprowadza się sygnał zegara przez system buforów tworzący strukturę drzewiastą. Pokazuje to rysunek 3-19.
 

Rysunek 3 19. Rozprowadzenie i buforowanie sygnału zegara przy zastosowaniu drzewa typu H

 

W strukturze pokazanej na rysunku 3-19 (zwanej drzewem typu H) sygnał zegara na drodze do każdego bloku przechodzi przez tę samą liczbę identycznych i jednakowo obciążonych buforów. Jeżeli na dodatek uda się w topografii układu zachować geometryczną identyczność wszystkich symetrycznych segmentów drzewa, to także długość drogi dla zegara jest w sensie odległości geometrycznej taka sama dla każdego bloku. Jeżeli wszystkie taktowane bloki układu mają jednakowe pojemności obciążające bufory zegara, to uzyskuje się dokładnie jednakowy czas propagacji sygnałów zegarowych z ich źródła do wszystkich bloków układu (mogą jednak istnieć różnice wynikające z lokalnych zaburzeń procesu produkcyjnego).

Szczególne trudności mogą powstać, jeśli w dużym układzie trzeba rozprowadzić dwa lub więcej sygnałów zegarowych o ściśle określonych zależnościach czasowych. Dotyczy to na przykład omawianego wcześniej zegara dwufazowego o fazach  „1” nie nakładających się w czasie. Nawet niewielkie różnice w czasach propagacji tych dwóch sygnałów mogą spowodować, że w jakimś bloku układu jedynki należące do dwóch różnych sygnałów zegara nałożą się w czasie, co spowoduje błędne działanie bloku. Dlatego unika się rozprowadzania w dużych układach więcej niż jednego sygnału zegara. Znacznie bezpieczniej jest dodatkowe sygnały zegarowe generować lokalnie w blokach, w których są potrzebne.

Przy projektowaniu buforów zegara i sposobu rozprowadzenia zegara należy pamiętać, że celem zazwyczaj nie jest uzyskanie jak najmniejszego opóźnienia między źródłem tego sygnału, a taktowanymi blokami. Celem jest uzyskanie jak najkrótszych czasów narastanie i opadania impulsów zegarowych oraz jednakowego czasu propagacji tych impulsów do wszystkich taktowanych bloków. Osiągnięcie tego celu zapewnia prawidłową, synchroniczną pracę układu jako całości.