数字电路中buffer的作用是什么

1 buffer是什么？

所谓buffer，一般是几级器件尺寸逐步增大的反相器或类似结构的电路，以使得电阻在获得所需的驱动能力时，在功耗延时积上也达到最优。前后级的最佳驱动比例在2.718左右。buffer实际就是两个串联的反相器，常用于时钟路径中，用于增加时钟驱动能力，使得时钟clock具有良好的上升沿和下降沿。时钟buffer本身是输入负载较小，输出驱动能力较强。因此前级电路驱动buffer容易，而buffer驱动后级电路也比较容易。

2 不插buffer会发生什么情况

不插buffer会导致驱动能力不够，通常是两种情况

第一种是输出电流不够，导致信号状态异常，这常常发生在后级电路对输入电流有要求的时候，另一种则是输出电流不够，导致信号上升下降沿太差，这常常发生在后级电路的输入电容较大的情况。

驱动能力强：摆幅大，上升快

驱动能力弱：摆幅下，上升慢

 

图1：不同驱动能力下的时钟翻转情况

3 驱动能力

所谓驱动能力，是指前级电路的输出信号可以使得后级电路有效响应，这个有效的包含两层意思：第一是前级输出信号能被后级电路识别，第二是在规定的时间内被后级电路识别。

4 应用场景-1：通过插buffer减少负载数量

如图所示，时钟驱动16个reg时，负载很大，时钟上升很慢，并且时钟摆幅小，此时插入4个buffer。加buffer之前你的时钟直接驱动寄存器或者很多个寄存器。加buffer以后你的时钟只驱动buffer，而你的buffer会去驱动寄存器。时钟buffer本身是输入负载较小，输出驱动能力较强的。而且通常会做成一个时钟buffer网络来驱动设计里面全部的寄存器，并保证整个时钟网络上的信号有很好的transition，以及平衡从时钟源到所有寄存器的insertion delay.寄存器的CK端接在时钟上面， 在时钟上加入buffer是在做时钟树的时候让时钟到每一个寄存器的CK端的SKEW尽可能的小，还有增加驱动的功能。（图中的16个寄存器为举例数字，实际IC设计中并不一致。

 

图 2 :时钟路径buffer插入

5 应用场景-2：减少连线负载

当数据连线很长时，连线负载电容很大，导致存在很大的延时。此时插入buffer将连线分割成几个连线，每个buffer驱动的负载较小，因此能够有效减少延时，虽然buffer本身也具有延时，但是插buffer减少的连线延时明显大于buffer自身延时就可以采用插buffer的方式。

6 插buffer减少延时的原理：

通过插buffer的方式减少了电路的负载电容，负载电容减少后，同样电压的情况下，对电容充电速度快（上升沿陡峭），同样电容小时存储的电容小，放电所需的时间短（下降沿陡峭）。一句话来说就是: 插buffer的方式减少了电路的负载电容，从而增大了电路驱动能力。

总之，数字电路中的buffer一般有两个作用：
1.提高驱动能力
buffer是一种宽高比很大的mos管，宽高比大意味着电流大，驱动能力高。
在扇出很大的wire中插入buffer可以提高带负载能力，常见于时钟树中。
2.确保信号时序正确
当一条wire很长时，延迟很大（delay正比于长度的平方，设长度为1，delay为1），这时在中间插入buffer，wire delay变为1/4+1/4=1/2，只要buffer delay小于1/2，则buffer的插入可以缩短wire delay。
当一条wire的延迟不大时，如果有hold violation（表现为数据到达过快，需要滞后到达），则插入buffer，利用buffer delay可以修正这个hold violation。