clock buffer的作用

1 buffer是什么?

所谓增加buffer，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。