数字IC设计学习笔记

亚稳态

1. 亚稳态概念
2. 产生原因
3. 解决方法
4. MTBF平均失效时间

1. 亚稳态概念

亚稳态：Metastability，触发器无法在某个规定时间内达到一个可确认的状态。当一个触发器处于亚稳态时，既无法预测该单元的输出电平，也无法预测何时输出才能稳定在某个正确的电平上。在这个稳定期间，触发器输出一些中间级电平，或者可能处于振荡状态，并且这种无用的输出电平可以沿信号通道上的各个触发器级联式传播下去。

2. 产生原因与危害

原因：

• 同步系统：组合逻辑路径上的延迟,导致不满足触发器的保持时间（Th: hold time）和建立时间（Tsu: setup time）；
• 异步复位系统：复位信号随时会在时钟沿附近有效，不满足恢复时间(recovery time)；
• 跨时钟域：两个时钟域之间进行异步信号传输；

危害：

• 导致逻辑误判；
• 导致亚稳态传播，与其级联的其他数字器件做出不同判断，使逻辑混乱；
• 异步复位电路中的亚稳态可导致复位失败，系统错误；

3. 解决方法

• 降低系统时钟频率；
• 用反应快的触发器；
• 异步复位系统：异步复位，同步释放；
• 引入同步机制，防止亚稳态传播；（打两拍，异步FIFO）

4. MTBF平均失效时间：

MTBF：Mean Time Between Failure, 平均失效时间。指出现亚稳态的平均时间间隔。

• tr: 不引起同步器失败的前提下，亚稳态震荡的最长时间；
• To, z: 与触发器的电气特性有关；
• fin: 异步输入信号频率；
• fclk: 起同步作用的触发器的时钟频率；

由公式可知：
MTBF与器件的工艺，设计规格和同步逻辑中的时序裕量有关；
MTBF与触发器的时钟频率有密切关系，但亚稳态的发生概率与时钟频率无关；

提高MTBF的方法：

• 更先进工艺的晶体管：更快的供电电压，亚稳态信号更快的稳定
• 采用同步链，提高Tr/z

【注】：个人学习笔记，如有错误，望不吝赐教，这厢有礼了~~~

最后

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