1 buffer是什么？

所謂buffer，一般是幾級器件尺寸逐步增大的反相器或類似結(jié)構(gòu)的電路，以使得電阻在獲得所需的驅(qū)動能力時，在功耗延時積上也達到最優(yōu)。前后級的最佳驅(qū)動比例在2.718左右。buffer實際就是兩個串聯(lián)的反相器，常用于時鐘路徑中，用于增加時鐘驅(qū)動能力，使得時鐘clock具有良好的上升沿和下降沿。時鐘buffer本身是輸入負載較小，輸出驅(qū)動能力較強。因此前級電路驅(qū)動buffer容易，而buffer驅(qū)動后級電路也比較容易。

2 不插buffer會發(fā)生什么情況

不插buffer會導(dǎo)致驅(qū)動能力不夠，通常是兩種情況

第一種是輸出電流不夠，導(dǎo)致信號狀態(tài)異常，這常常發(fā)生在后級電路對輸入電流有要求的時候，另一種則是輸出電流不夠，導(dǎo)致信號上升下降沿太差，這常常發(fā)生在后級電路的輸入電容較大的情況。

驅(qū)動能力強：擺幅大，上升快

驅(qū)動能力弱：擺幅下，上升慢

圖1：不同驅(qū)動能力下的時鐘翻轉(zhuǎn)情況

3 驅(qū)動能力

所謂驅(qū)動能力，是指前級電路的輸出信號可以使得后級電路有效響應(yīng)，這個有效的包含兩層意思：第一是前級輸出信號能被后級電路識別，第二是在規(guī)定的時間內(nèi)被后級電路識別。

4 應(yīng)用場景-1：通過插buffer減少負載數(shù)量

如圖所示，時鐘驅(qū)動16個reg時，負載很大，時鐘上升很慢，并且時鐘擺幅小，此時插入4個buffer。加buffer之前你的時鐘直接驅(qū)動寄存器或者很多個寄存器。加buffer以后你的時鐘只驅(qū)動buffer，而你的buffer會去驅(qū)動寄存器。時鐘buffer本身是輸入負載較小，輸出驅(qū)動能力較強的。而且通常會做成一個時鐘buffer網(wǎng)絡(luò)來驅(qū)動設(shè)計里面全部的寄存器，并保證整個時鐘網(wǎng)絡(luò)上的信號有很好的transition，以及平衡從時鐘源到所有寄存器的insertion delay.寄存器的CK端接在時鐘上面， 在時鐘上加入buffer是在做時鐘樹的時候讓時鐘到每一個寄存器的CK端的SKEW盡可能的小，還有增加驅(qū)動的功能。（圖中的16個寄存器為舉例數(shù)字，實際IC設(shè)計中并不一致。

圖 2 :時鐘路徑buffer插入

5 應(yīng)用場景-2：減少連線負載

當(dāng)數(shù)據(jù)連線很長時，連線負載電容很大，導(dǎo)致存在很大的延時。此時插入buffer將連線分割成幾個連線，每個buffer驅(qū)動的負載較小，因此能夠有效減少延時，雖然buffer本身也具有延時，但是插buffer減少的連線延時明顯大于buffer自身延時就可以采用插buffer的方式。

6 插buffer減少延時的原理：

通過插buffer的方式減少了電路的負載電容，負載電容減少后，同樣電壓的情況下，對電容充電速度快（上升沿陡峭），同樣電容小時存儲的電容小，放電所需的時間短（下降沿陡峭）。一句話來說就是: 插buffer的方式減少了電路的負載電容，從而增大了電路驅(qū)動能力。

總之，數(shù)字電路中的buffer一般有兩個作用：
1.提高驅(qū)動能力
buffer是一種寬高比很大的mos管，寬高比大意味著電流大，驅(qū)動能力高。
在扇出很大的wire中插入buffer可以提高帶負載能力，常見于時鐘樹中。
2.確保信號時序正確
當(dāng)一條wire很長時，延遲很大（delay正比于長度的平方，設(shè)長度為1，delay為1），這時在中間插入buffer，wire delay變?yōu)?/4+1/4=1/2，只要buffer delay小于1/2，則buffer的插入可以縮短wire delay。
當(dāng)一條wire的延遲不大時，如果有hold violation（表現(xiàn)為數(shù)據(jù)到達過快，需要滯后到達），則插入buffer，利用buffer delay可以修正這個hold violation。