Vivado约束指导手册
Vivado约束指导手册输入端口到输出端口路径在从输入端口直接到输出端口的路径上,数据:不需要在器件内部锁存(atch),直接从输入端口到输出端口。他们通常被称为ln-to-out数据路径端口时钟可以是虚拟时钟也可以是设计时钟路径举例图3-1描述了上面所有的路径,在此例图中,设计时钟CLKo可被用作端口时钟,这样既可以约束D|N延时也可以约束DOUT延时FPGA DEVICEBoardDeviceInternal Delay REGAData Path DelayREGB Internal DelayBoardDINi DOUT Device○A4InpOutputDelayBUFGPort ClockCLKOPort clockIn-2-out Data PathFigure 3-1: Path Example时钟路径部分每一个时钟路径由三个部分组成:源时钟路径数据路径目标时钟路径源时钟路径源时钟路径是由源时钟从它的源点(典型的是输入端口)到发送时序单元的时钟引脚之间的路径。对于从输入端口起始的时序路径来说,就不存在源时钟路径数据路径对内部电路,数据路径是发送时序单元和捕捉时序单元之间的路径发送时序单元的有效时钟管脚称为路径起始点捕捉时序单元的数据输入管脚称为路径结束点对于输入端口路径,数据路径起始于输入端口。输入端口是路径的起始点对于输出端口路径,数据路径结朿语输岀端口。输岀端口是路径的结束点。目标时钟路径目标时钟路径是由目标时钟从其源点(典型的是输入端口)到捕捉时序单元的时钟管脚之间的路径。对于结束于输出端口的时序路径,就没有目标时钟路径图3-2显示了3段典型的时序路径REGAData PathREGBEndpointSource Clock PathStartpointDestination Clock PathFigure 3-2: Typical Timing PathSetup和Hold分析vⅳ ado ide分析时序并且在时序路径终点时候报告时序裕量。时序裕量是指在时序路径终点数据要求时间和抵达时间的差异。如果裕量为正,从时序的角度考虑此路径是有效的。Setup检查为了计算数据所需的 setup时间,时序引擎:1.决定源时钟和目的时钟之间的普通周期。如果没有被发现,为分析考虑多达1000个时钟周期。2.检查覆盖普通周期上的起始点和终点所有上升和下降沿。3.在任何两个有效 active沿之间的最小正差值dela。这个deta被称为 setup分析的时序路径要求Setup路径要求示例假象2个寄存器之间的一条路径,这些寄存器由其相应时钟上升沿触发。这条路径有效的时钟沿只有上升沿。时钟定义如下:.clko周期6nsck1周期4nsCommon periodclko launch edgesSetup(1)Setup(2)clk1 capture edgesOns 2ns 4nss 8n5 10ns 12nsFigure 3-3: Setup Path Requirement Example图33显示有2个单独的源和目的时钟沿有资格受到 setup分析: setup(1和 setup(2):源时钟发送沿时间:0ns+1*T(ck0)=6ns目的时钟抓取沿时间:0ns+2*(ck1)=8nsSetup Path Requirement=抓取沿时间-发送沿时间=2ns在计算路径要求时候,需要考虑2个重要的点:1.时钟沿是理想的,那就是说,时钟树插入延迟不在考虑之内2.默认时钟在0时间点是 phase-aligned,除非他们的波形定义引进了 phase-shit。异步时钟相位关系未知。时序引擎在分析其间路径时候会考虑默认值。关于异步时钟的更多内容看下部分Setup分析数据要求时间Setup分析数据要求时间是指为了让目的单元能安全的采样数据,数据必须在这个时间点之前稳定。这个值基于:目的时钟采样沿时间.目地时钟延时源时钟和目的时钟的不确定性目的单元 setup时间Setup分析的数据抵达时间Setup分析的数据抵达时间,是指由源时钟发送的数据在路径终点的稳定时候所需要的时间。它的值基于:源时钟发送沿时间源时钟延时数据路径延时数据路径延时包括所有从起点到终点的单元(cel)和线(ne延时。在时序报告中, Vivado将 setup时序考虑为数据路径的一部分。相应的,数据到达和要求时间的公式为:Data Required Time (setup)= destination clock capture edge time+destination clock path delayclock uncertaintyData Arrival Time(setup)= source clock launch edge timesource clock path delay+ datapath delaysetup timeSetup裕量是指要求时间和实际抵达时间的差值:Slack (setup)= Data Required Time -Data Arrival Time在输入数据引脚寄存器上 Setup裕量为负值,说明寄存器有可能锁存到未知的值跳转到错误状态Hod检查Hod裕量的计算与 setup裕量计算直接相关。当 setup分析证明了在最悲观的情况下数据可以被安全捕捉,hold分析确保了:同样的数据不可能被前面目地时钟沿错误的抓取下一个源时钟沿发送的数据不能被用来分析 setup的目的数据沿抓取因此,为了找到hold分析的时序路径,时序引擎考虑了所有为 setup分析的源和目的时钟沿结合的可能。对每一种可能的组合,时序引擎:检查发送沿和减去一个目的时钟周期的抓取沿之间的差值.检查了加上一个源时钟周期的发送沿和抓取沿之间的差值.只保留时间差值最大的发送沿和抓取沿hold路径要求示例采用page33中 setup路径要求示例中的时钟。对于 setup分析那仅有2个可能的时钟沿组合:Setup Path Requirement (S1)=1*T(clk1)-0*T(clk0)= 4nsSetup Path Requirement (S2)=2*T(clk1)-1*T(clk0)=2ns那么相应的hod要求如下:For setup s1:Hold path Requirement (Hla)-(1*T(clk1)-1*T(clk1))-0*T(clko)=onsHold Path Requirement (Hlb)=1*T(clkl)-(0*T(clk0)+I*T(clko))=-2nsFor setup $2:Hold Path Requirement (H2a)=(2*T(clk1)-1*T(clk1))-1*T(clko)2nsHold path Requirement(H2b)=2*T(clk1)-(1*T(clk0)+1*T(clk0))=-4ns从上面可以看出最大的要求时间是Ons,这正好与源时钟和目的时钟第一次上升沿相吻合。Hold路径要求示例,page36显示了 setup检查沿和他们相关的hold检查。cIko launch edgesHla S1 H1b/H2a522bclk1 capture edgesOns 2ns 4ns 6ns 8ns 10ns 12nsFigure 3-4: Hold Path Requirement Example此例中,最终的hod要求时间不是来源于最紧的 setup要求。这是因为所有可能的 setup沿都会被考虑在内,是为了找到最又挑战性的hod要求。正如在 setup分析中,数据要求时间和数据抵达时间是基于以下条件计算的:源时钟发送沿时间.目的时钟抓取沿时间源和目的时钟延时时钟不确定性数据延时.目的寄存器hod时间Data Required Time (hold)= destination clock capture edge timedestination clock path delayclock uncertaintyData Arrival Time (hold)= source clock launch edge timesource clock path delaydatapath delayhold timeHod裕量是要求时间和抵达时间的差值Slack (hold)= Data Arrival Time Data Required Time正的时序裕量意味着即使在最悲观的情况下数据也不会被错误的时钟沿抓取。而负的hold裕量说明抓取的数据错误,而且寄存器可能进入不稳定状态。矫正( recovery和移除( removal分析矫正和移除时序检查与 setup和hold检查相似,区别就是它们应用于异步数据管脚例如set或者clear o对于异步复位的寄存器.矫正时间是异步 reset信号为了锁定新数据已经切换到它的无效状态之后,到下一个有效时钟沿之间的最小时间。移除时间是在异步复位信号安全切换到其无效状态之前,到第一个有效时钟沿之后的最小时间。下面的等式描述了这两种分析的sack是如何计算的Recovery check下面的等式描述了下面如何计算:Data Required Time (recovery ) =destination clock edge start time+ destination clock path delayclock uncertaintyData Arrival Time (recovery )= source clock edge start timesource clock path delaydatapath delayrecovery timeSlack (recovery)= Data Required Time Data Arrival TimeRemoval checkData Required Time (removal)= destination clock edge start timedestination clock path delayclock uncertaintyData Arrival Time (removal)= source clock edge start timesource clock path delay+ datapath delayremoval timeSlack (removal)= Data Arrival Time -Data Required Time正如 setup和hold检査,一个负的 recovery裕量和 remova裕量说明寄存器可能进入亚稳态,并且将未知的电子层带入设计中。定义时钟时钟数字设计中,时钟提供了从寄存器到寄存器之间可靠的传输数据的时间参考。 Vivado ide时序引擎用时钟特征来:计算时钟路径要求以裕量计算的方式报告设计时序裕量更多信息,参考时序分析这章为了得到最精确的最大的时序路径覆盖,时钟必须合理的定义。可以用下面的特征定义时钟:源时钟是指定义在时钟驱动引脚或者时钟树跟端口的时钟时钟沿可以由周期和波形特性的组合描述周期是ns级的,与描述的波形的时间周期相匹配.时钟波形是在时钟周期里,在数ns内时钟上升沿和下降沿绝对时间的列表列表必须包含偶数个值。第一个值一般与第一个上升沿吻合,除非另外指定,默认的时钟占空比是50%相位是ns。如图4-1所示,ck0周期10ns,占空比50%,相位0ns。Ck1周期8ns,占空比75%,相位2ns。CIkO: period 10, waveform =10 5]CIk1: period =8, waveform=2850%50%ClaOns5ns10ns15ns25%75%clkbOns 2ns8ns 10ns16nsFigure 4-1: Clock Waveforms Example传播【 propagated clock)时钟周期和波形特征体现了时钟的理想特征。当时钟进入FPGA器件并且经过时钟树传播时候,时钟沿会有延时而且会随着噪声和硬件特性而改变。这些特点被称为时钟网络延时( latency)和时钟不确定{ uncertainty)时钟不确定性包含下面内容:clock jitterphase error任何额外指定的不确定Vivado会默认的将时钟作为传播时钟,这意味着,这是非理想的时钟。这么做是为了提供包含时钟树插入延时和不确定性的裕量的值。特定硬件资源
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电子噪声与低噪声设计
本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播问题，介绍各种噪声源相关的机制和模型，说明不同噪声的特性和传播方式，以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法，并详细介。。。内容简介电子噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播冋题,介绍各种噪声源相关的机制和模型,说明不同噪声的特性和传播方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,并详细介绍各种不同噪声的抑制方法,给出大量实例,总结出低噪声设计的规则和要点。木书可用作电子工程、自动化、测试技术与仪器等专业的本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据电子噪声与低噪声设计/高晋占编著.一北京:清华大学出版社,2016ISBN978-7302-43559-4I.①电…Ⅱ.①高…Ⅲ.①电子系统一噪声②电子系统一低噪声一设计ⅣN.①TN911.4②TN722.3中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第081960号责任编辑:王一玲封面设计:常雪影责任校对:梁毅责任印制:沈露出版发行:清华大学出版社pogtlt:http://www.tup.com.cn,http://www.wqbook.com地址:北京清华大学学研大厦A座邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62776969,c-service(@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn印装者:清华大学印刷厂经销:全国新华书店开本:185mm×260mm印张:21字数:522千字版次:2016年6月第1版印次:2016年6月第1次印刷印数:1~1500定价:59.00元产品编号:06269401在电子电路和系统中,噪声是个重要问题。噪声污染有用信号,并使信号包含的信息增加了不确定性。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误。即使在噪声阈值较高的数字电路和计算机系统中,严重的噪声可能造成存储位的变化和程序运行混乱噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。内部固有噪声是由载流子的随机运动引起的,有些固有噪声源可以通过在制造过程中提高加工质量加以控制,但其中大多数是基础噪声,不取决于技术。而外部干扰噪声是由外部噪声源发岀,经过某种耦合渠道对电路污染的结果。这两种噪声具有不同原因,它们需要不同的处理方法,在多数书籍和文献中,这两种噪声都是分别对待的,外部干扰噪声通常是电磁兼容性(EMC)相关书籍的主题。但是,这两种噪声引起的问题是类似的,应该综合在一起考虑。在处理其中的一种噪声时,有理由必须把另一种噪声也考虑在内。例如,当处理弱信号的电路无法正常工作时,污染了有用信号的噪声是源自于该电路本身还是从外部拾取的,从用户的角度来看都是无关紧要的。在这两种情况下噪声都会掩盖信号,在最坏的情况下则不能恢复信息内容。因此,只努力抑制电路的固有噪声,但缺乏抵御干扰噪声的保护手段,电路的噪声特性就会大打折扣。另外,在设计屏蔽措施时,努力把干扰噪声降低到固有噪声幅度之下,往往没有多大意义。本书涵盖上述两种噪声,致力于分析和解释电子系统中各种噪声的来源和性质,介绍各种噪声源的机制和模型,说明不同噪声的特性和耦合方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,介绍各种噪声的抑制措施,给出低噪声设计的规则和方法。许多种噪声具有随机性,其描述方式和分析方法不同于确定性信号,不太容易理解,本书第1章首先介绍随机噪声的基本原理和特性,这是后续各章及延续阅读的理论基础。第2~5章致力于固有噪声,这种噪声取决于电子器件和电路设计。第2章介绍各种固有噪声源的特性和描述方法;第3章介绍各种噪声参数和噪声分析方法;第4章介绍电子系统中常见的电子器件的噪声源、噪声模型和噪声特性;第5章介绍常用的噪声性能测量方法。前言第6~8章致力于外部干扰噪声,这种噪声受设备的物理结构和电路布局的影响很大。第6章介绍各种干扰噪声源和干扰耦合途径,除电磁噪声外,还特别介绍机械原因或温度扰动引起的噪声;第7章介绍干扰噪声抑制方法,重点是屏蔽和接地;第8章介绍常见干扰噪声源的噪声产生机制和预防措施。第9章介绍低噪声电路设计的方法和技术,包括选择低噪声有源器件,确定电路组态和工作点,噪声匹配的实现等,特别分析了反馈对噪声性能的影响。本书可用作电子、通信、自动化、测试技术与仪器等专业的高年级本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。由于作者水平所限,书中难免存在缺点和错误,恳请广大读者批评指正高晋占2015年10月于清华园符号說明1.基本符号X电抗的通用符号,单位为Ω频率通用符号,单位为Hz导纳的通用符号,单位为Sfo中心频率,单位为Hz阻抗的通用符号,单位为Ω截止频率,单位为Hz角频率通用符号,单位为rad/s电流通用符号,单位为A2.线性系统符号距离或长度,单位为mA(t)幅度函数电压通用符号,单位为V)相位函数器件内部的等效电阻,单位为9G(a)幅频特性函数B系统频带宽度,单位为Hz相频特性函数B电纳的通用符号,单位为Sh(t)冲激响应函数C电容的通用符号,单位为FH(j)频率响应函数E数学期望运算子H()传递函数电导的通用符号,单位为SH(x1)离散传递函数电流的有效值,单位为A3.随机噪声符号平均直流电流,单位为A噪声电压L电感的通用符号,单位为H噪声电流互感的通用符号,单位为H噪声电压的均方值P功率的通用符号,单位为W噪声电流的均方值R电阻或等效电阻,单位为ΩE电路的输入电阻,单位为Ω噪声电压的有效值,En=√eR电路的输出电阻,单位为噪声电流的有效值,n=√R负载电阻,单位为Ω噪声电压的平方根谱密度,单位R信号源内阻,单位为Ω为V/√Hz电压的有效值,单位为V噪声电流的平方根谱密度,单位热力学温度(旧称绝对温度),单为A/√Hz位为K热噪声电压符号说明热噪声电流共射接法下集射极之间的微变电散弹噪声电压阻散弹噪声电流场效应管漏源之间的等效电阻1/f噪声电压导通电阻1/f噪声电流二极管,场效应管的漏极F噪声系数( noise factor)场效应管的栅极噪声因数( noise figure),单位为dBS场效应管的源极S信噪比二极管电流,漏极电流B等效噪声带宽共射接法下的基极电流△f窄带宽度共射接法下的集电极电流p(x)x的概率密度函数共射接法下的发射极电流x的均值共基接法下的电流放大倍数,a=x的方差△Ic/△Ix的标准差共射接法下的电流放大倍数,B=x的均方值△Ic/△IBC2(x)x的自协方差函数共射接法下的直流电流放大倍Cx(x)x的归一化自协方差函数数,B=Ic/IBCx(z)x和y的互协方差函数5.其他符号Cx(x)x和y的归一化互协方差函数电磁辐射速度,c=2.998×10m/sR2(r)x的自相关函数h普朗克( Planck)常数,h=6.62R2(x)x和y的互相关函数1034JsS(f)噪声的功率谱密度函数k玻耳兹曼( Boltzmann)常数,k=S2(f)噪声电压的功率谱密度函数1.38×1023J/K(f)噪声电流的功率谱密度函数电子电荷,q=1.602×10-°C2(f)x的功率谱密度函数波长,mS2(f)x和y的互功率谱密度函数介质的介电常数p(x)x的归一化自相关函数自由空间的介电常数,Eo=8.85×(x)x和y的归一化互相关函数10 pF/mmJ|雅可比( Jacobi)行列式对自由空间的相对介电常数,En=4.半导体器件参数符号基极介质的磁导率C集电极自由空间的磁导率,A0=4x发射极10Hm1=4x×10pH/mmfr晶体管的特征频率,即共射接法对自由空间的相对磁导率,=下电流放大倍数为1的频率,单/0位为Hz介质的电导g跨导铜的电导,=5.82×107S/m基区体电阻对铜的相对电导,01=a/0rb’e发射结的微变等效电阻CMRR共模抑制比第1章随机噪声基础1.1随机噪声概述…………1.1.1噪声定义与分类1111.1.2内部固有噪声和外部干扰噪声比较1.1.3噪声的影响1.2随机噪声的概率分析方法…3471.3随机噪声的统计特征…1.3.1均值、方差与均方值········,····,·,,··,,,,,,······,·······,·,,1.3.2相关函数与协方差函数…1.3.3功率谱密度函数151.4常见随机噪声171.4.1白噪声与有色噪声171.4.2窄带噪声………………………………………………………191.5随机噪声通过电路系统的响应…211.5.1随机噪声通过线性系统的响应……………………………211.5.2随机噪声通过非线性系统的响应24第2章电子系统中的固有噪声源……………………………………………………292.1热噪声302.1.1热噪声的起源…302.1.2热噪声的特性……………………302.2扩散噪声……………………………………352.3散弹噪声362.4量子噪声………………………………………………………………………………39Ⅵ目录2.5产生-复合噪声(G-R噪声)…………………………………………………………402.61/f噪声…422.7爆裂噪声……………………………………………………………………452.8雪崩噪声…第3章噪声参数与噪声分析503.1.功率和增益3.1.1功率的各种常用定义513.1.2资用功率和资用功率增益…3.1.3可交换功率和可交换功率增益553.2等效噪声带宽…563.3线性一端口的噪声参数……603.3.1等效噪声电阻…………………………………613.3.2等效噪声温度623.3.3其他噪声参数……633.4线性二端口的噪声模型与噪声参数653.4.1E-Ⅰ噪声模型及等效输入噪声电阻…………………3.4.2等效输入噪声温度………693.4.3工作噪声温度……………723.4.4噪声系数……733.4.5噪声测度………………………………………………………………813.5二端口噪声分析………833.5.1二端口的噪声模型变换…………………………………………………833.5.2等效噪声源相关时二端口的噪声分析…………84第4章电子器件噪声884.1电阻噪声………884.1.1电阻的噪声机制与噪声指标…………………………894.1.2低噪声电阻的选择4.2电容、电感和电池噪声934.3半导体二极管的噪声特性…………………………………………………………954.4双极型晶体管(BJT)的噪声特性……994.4.1BJT的结构、等效电路和噪声源………………………………………994.4.2BJT的噪声参数1024.4.3BJT噪声的频率分布……………………………………………………1044.5场效应管(FET)的噪声特性1075.1FET的结构与噪声源…………1074.5.2FET的噪声等效电路与噪声参数1104.6运算放大器的噪声特性………………………………………………………113目录4.6.1运算放大器的等效输入噪声模型………………………………1134.6.2运算放大器噪声性能计算1164.7传感器电路噪声分析………………………………………………………122第5章噪声性能测量1335.1噪声测量常用方法……1335.2噪声测量中的检波器和平均器………………………………………………………1365.3噪声功率和有效值的测量误差1404噪声功率谱密度测量………………………………………………………1425.5二端口等效输人噪声测量1465.6噪声系数测量…………………………………………………………………1475.7噪声温度测量……1545.8其他噪声性能的测量和计算………………………………………………1575.9噪声发生器160第6章干扰噪声1666.1外部噪声源………………………………………1676.1.1自然噪声源…1686.1.2电磁噪声源1706.1.3静电噪声源…1736.1.4非电起源的干扰噪声源………………………………………………1746.1.5干扰噪声的频谱分布1766.2干扰噪声耦合途径……………………………………………………………1776.2.1传导耦合…1796.2.2电场耦合………………………………………………………1836.2.3磁场耦合………1866.2.4电磁辐射耦合………1916.2.5耦合模式……………………………193第7章干扰噪声抑制方法…1967.1电磁屏蔽………………………………………………………………………1967.1.1场传播与波阻抗1977.1.2屏蔽层的吸收损耗……………………………………………………2007.1.3屏蔽层的反射损耗2027.1.4屏蔽层中的多次反射…………………………………………2067.1.5屏蔽效能分析与综合2087.1.6影响屏蔽效能的其他因素…………………………………2117.1.7屏蔽总结2147.2电缆屏蔽层接地216
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