第六章 CMOS组合逻辑门的设计
静态互补cmos组合逻辑门的拓扑结构形式
静态互补cmos组合逻辑门的拓扑结构形式
静态互补CMOS组合逻辑门可以通过不同的拓扑结构实现。
以下是一些常见的拓扑结构形式：
1. 静态互补传输门（Static Complementary Pass Transistor Logic，SCPTL）：这种拓扑结构使用互补的传输门（传输门由PMOS 和NMOS组成）来实现逻辑功能。
一个输入信号直接驱动一
个传输门，另一个输入信号通过反向驱动另一个传输门。
输出信号由两个传输门的交集形成。
2. 静态互补非传输门（Static Complementary Nontransmission Logic，SCNTL）：这种拓扑结构使用互补逻辑门（由PMOS
和NMOS组成）来实现逻辑功能。
输入信号通过非门的输入
端进入，而非门的输出端通过和门和或门的组合得到最终输出。
3. 静态互补与非门（Static Complementary AND-NOR Logic，SCAN）：这种拓扑结构使用非门和与门来实现逻辑与和逻辑非。
输入信号先经过非门得到其反相信号，然后和与门的另一个输入信号进行与操作，得到最终输出。
4. 静态互补与或非门（Static Complementary AND-OR-NAND Logic，SAON）：这种拓扑结构使用与门、或门和非门来实
现逻辑与、逻辑或和逻辑非。
输入信号先与与门的一个输入进行与操作，然后和与门的另一个输入进行或操作，最终通过非门得到输出。
这些拓扑结构形式可以根据具体的逻辑功能需求进行选择和设计。
CMOS组合逻辑门的设计
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与门
电路结构
CMOS与门由两个或多个反相器串联而成，所有输入都为高 电平时，输出才为高电平。
工作原理
当所有输入都为高电平时，每个反相器都工作在PMOS管导 通、NMOS管截止的状态，输出为低电平；当任意一个输入 为低电平时，相应的反相器工作在PMOS管截止、NMOS管 导通的状态，输出为高电平。
或门
CMOS非门由一个反相器构成，输入与输出相反。
工作原理
当输入为高电平（V<sub>DD）时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出为低电平（V<sub>SS）； 当输入为低电平（V<sub>SS）时，PMOS管截止，NMOS管导通，输出为高电平（V<sub>DD>） 。
03
CMOS组合逻辑门的性能优化
向着更小的尺度发展，提高集成度和运算速 度。
与其他逻辑门电路不断融合，形成更加复杂 和高效的逻辑功能模块。
发展高速度、高效率、低功耗的CMOS组合 逻辑门是主要趋势。
广泛应用在通信、计算机、消费电子等领域 ，需求驱动发展。
未来研究方向
研究适用于超低功耗应用的 CMOS逻辑门电路。
在更小的特征尺寸下，如何提 高CMOS逻辑门的性能和稳定 性是需要解决的重大问题。
CMOS组合逻辑门可以用于嵌入式系统中的数据处理和控 制操作，提高系统的可靠性和稳定性。
计算机硬件系统
计算机硬件系统是指由各种电子元件、部件和软件组成的计算机结构，包括中央 处理器、内存、输入/输出接口等。
CMOS组合逻辑门可以用于计算机硬件系统中的信号传输和处理，保障系统的稳 定性和高效性。
电子课件电子技术基础第六版第六章门电路及组合逻辑电路可编辑全文
逻辑函数除可以用逻辑函数表达式（逻辑表达式）表示以 外，还可以用相应的真值表以及逻辑电路图来表示。真值表 与前述基本逻辑关系的真值表类似，就是将各个变量取真值 （0 和 1）的各种可能组合列写出来，得到对应逻辑函数的真 值（0 或 1）。逻辑电路图（逻辑图）是指由基本逻辑门或复 合逻辑门等逻辑符号及它们之间的连线构成的图形。
TTL 集成“与非”门的外形和引脚排列 a）外形 bOS 集成门电路以绝缘栅场效应管为基本元件组成， MOS 场效应管有 PMOS 和NMOS 两类。CMOS 集成门电路 是由 PMOS 和 NMOS 组 成的互补对称型逻辑门电路。它具 有集成度更高、功耗更低、抗干扰能力更强、扇出系数更大 等优点。
三、其他类型集成门电路
1. 集电极开路与非门（OC 门） 在这种类型的电路内部，输出三极管的集电极是开路的， 故称集电极开路与非门，也称集电极开路门，简称 OC 门。
OC 门 a）逻辑符号 b）外接上拉电阻
74LS01 是一种常用的 OC 门，其外形和引脚排列如图所 示。
74LS01 的外形和引脚排列 a）外形 b）引脚排列
2. 主要参数 TTL 集成“与非”门的主要参数反映了电路的工作速度、抗 干扰能力和驱动能力等。
TTL 集成“与非”门的主要参数
TTL 集成“与非”门具有广泛的用途，利用它可以组成很多 不同逻辑功能的电路，其外形和引脚排列如图所示。如 TTL“ 异或”门就是在 TTL“与非”门的基础上适当地改动和组合而成 的；此外，后面讨论的编码器、译码器、触发器、计数器等 逻辑电路也都可以由它来组成。
CMOS组合逻辑门的设计
CMOS组合逻辑门的设计CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种集成电路技术，由P型和N型MOS（金属氧化物半导体）组成。
CMOS技术被广泛应用于数字逻辑门的设计中。
本文将详细介绍CMOS组合逻辑门的设计过程。
组合逻辑门是一种不带有存储元件的数字电路，根据输入的状态产生相应的输出状态。
CMOS组合逻辑门由MOS场效应晶体管和电阻组成。
在CMOS技术中，MOS晶体管可以工作在两种模式下：通过模式和截止模式。
通过模式下的晶体管导通，截止模式下的晶体管断开。
CMOS逻辑门的设计过程通常包括以下步骤：1.需求分析：首先确定需要设计的逻辑门的功能和特性。
了解输入输出关系和逻辑表达式。
2.逻辑表达式转换：将逻辑表达式转换为布尔代数表达式。
根据布尔代数原理，使用布尔代数运算符对逻辑表达式进行化简和转化。
3.逻辑电路设计：根据逻辑表达式，使用MOS晶体管和电阻等元件设计逻辑电路。
4.原理图绘制：根据逻辑电路设计，使用电路设计软件绘制电路原理图。
将所需的逻辑门、晶体管和电阻等组件进行布局。
5.模拟仿真：使用电路设计软件进行模拟仿真，验证逻辑门的设计是否正确。
通过输入信号，验证输出信号是否符合逻辑表达式。
6.物理布局设计：根据电路原理图和仿真结果，进行逻辑门的物理布局设计。
确保信号传输的最佳路径和减小电路延迟。
7.版图布线：根据物理布局设计，进行电路的版图布线。
将各个组件进行布线，保证信号传输的稳定性和最短路径。
8.工艺制造：根据版图布线，转化为切割、离子注入或敏感处理等工艺制造步骤。
生产出需要的CMOS逻辑门。
CMOS技术在逻辑门设计中具有许多优点，如低功耗、高集成度、高噪声抑制能力等。
CMOS逻辑门由于其优势得到了广泛应用，如在微处理器、数字信号处理器和存储器中。
总之，CMOS组合逻辑门的设计过程包括需求分析、逻辑表达式转换、逻辑电路设计、原理图绘制、模拟仿真、物理布局设计、版图布线和工艺制造等步骤。
CMOS技术在逻辑门设计中具有优越性能，得到了广泛应用。
数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题 第六章 CMOS组合逻辑门的设计
Chapter 6 Problem Set
Chapter 6 PROBLEMS
1. [E, None, 4.2] Implement the equation X = ((A + B) (C + D + E) + F) G using complementary CMOS. Size the devices so that the output resistance is the same as that of an inverter with an NMOS W/L = 2 and PMOS W/L = 6. Which input pattern(s) would give the worst and best equivalent pull-up or pull-down resistance? Implement the following expression in a full static CMOS logic fashion using no more than 10 transistors: Y = (A ⋅ B) + (A ⋅ C ⋅ E) + (D ⋅ E) + (D ⋅ C ⋅ B) 3. Consider the circuit of Figure 6.1.
2
VDD E 6 A A 6 B 6 C 6 D 6 E F A B C D 4 4 4 4 E 1 A B C D 4 4 4 4 E 1 6 F 6 B 6 C 6 D
Chapter 6 Problem Set
VDD 6
Circuit A
Circuit B
Figure 6.2 Two static CMOS gates.
【精品】数字集成电路电路、系统与设计第二版课后练习题第六章CMOS组合逻辑门的设计
【精品】数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题第六章CMOS组合逻辑门的设计第六章 CMOS组合逻辑门的设计1.为什么CMOS电路逻辑门的输入端和输出端都要连接到电源电压？CMOS电路采用了MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）作为开关元件，其中N沟道MOSFET（NMOS）和P沟道MOSFET（PMOS）分别用于实现逻辑门的输入和输出。
NMOS和PMOS都需要连接到电源电压，以使其能够正常工作。
输入端连接到电源电压可以确保信号在逻辑门中正常传递，输出端连接到电源电压可以确保输出信号的正确性和稳定性。
2.为什么在CMOS逻辑门中要使用两个互补的MOSFET？CMOS逻辑门中使用两个互补的MOSFET是为了实现高度抗干扰的逻辑功能。
其中，NMOS和PMOS分别用于实现逻辑门的输入和输出。
NMOS和PMOS的工作原理互补，即当NMOS导通时，PMOS截止，当PMOS导通时，NMOS截止。
这样的设计可以在逻辑门的输出上提供高电平和低电平的稳定性，从而提高逻辑门的抗干扰能力。
3.CMOS逻辑门的输入电压范围是多少？CMOS逻辑门的输入电压范围通常是在0V至电源电压之间，即在低电平和高电平之间。
在CMOS逻辑门中，低电平通常定义为输入电压小于0.3Vdd（电源电压的30%），而高电平通常定义为输入电压大于0.7Vdd（电源电压的70%）。
4.如何设计一个基本的CMOS逻辑门？一个基本的CMOS逻辑门可以由一个NMOS和一个PMOS组成。
其中，NMOS的源极连接到地，栅极连接到逻辑门的输入，漏极连接到PMOS的漏极；PMOS的源极连接到电源电压，栅极连接到逻辑门的输入，漏极连接到输出。
这样的设计可以实现逻辑门的基本功能。
5.如何提高CMOS逻辑门的速度？可以采取以下方法来提高CMOS逻辑门的速度：•减小晶体管的尺寸：缩小晶体管的尺寸可以减小晶体管的电容和电阻，从而提高逻辑门的响应速度。
•优化电源电压：增加电源电压可以提高晶体管的驱动能力，从而加快逻辑门的开关速度。
《半导体集成电路》考试题目及参考标准答案
《半导体集成电路》考试题⽬及参考标准答案第⼀部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英⽂缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？5.什么是特征尺⼨？它对集成电路⼯艺有何影响？6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？第1章集成电路的基本制造⼯艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作⽤？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述⼀下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？5.以p阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些不⾜？6.以N阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进⽅法。
7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输⼊输出端⼦。
第2章集成电路中的晶体管及其寄⽣效应1.简述集成双极晶体管的有源寄⽣效应在其各⼯作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的⽆源寄⽣效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄⽣效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的⽅法？6.如何解决MOS器件的场区寄⽣MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄⽣双极晶体管效应？第3章集成电路中的⽆源元件1.双极性集成电路中最常⽤的电阻器和MOS集成电路中常⽤的电阻都有哪些？2.集成电路中常⽤的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的⼯艺中要⽤铜布线取代铝布线。
5. 运⽤基区扩散电阻，设计⼀个⽅块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输⼊短路电流输⼊漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL 与⾮门（稳态时）各管的⼯作状态？3. 在四管标准与⾮门中，那个管⼦会对瞬态特性影响最⼤，并分析原因以及带来那些困难。
实验2-CMOS组合逻辑电路设计
数字集成电路-实验2：VTC仿真
反相器:r=3
nand2
Ln=Lp /um
Wn /um
Wp /um
Ln=Lp /um
Wn /um
Wp A=B= /um 0->1
0.8
1*L
0.8
1
2*L
1
1.5
3*L
1.5
2
4*L
2
2.5
5*L
2.5
Vth
A=1, B=0->1
B=1, A=0->1
2பைடு நூலகம்
nand2 输入数据模式与延时之间的关系
数字集成电路-实验2：延时仿真
Ln=Lp /um 0.8
1 1.5 2 2.5
tpHL(ps)
Wn A=B=0- A=1,
/um
>1
B=0->1
1*L
B=1, A=0->1
2*L
3*L
4*L
5*L
A=B=1>0
tpLH (ps)
A=1, B=1->0
B=1, A=0->1
3
组合逻辑传输链的最小延时和尺寸优化
3、根据负载电容和第2级第3级门的特性，设 计X和Y的值，让整个组合逻辑链的延时最小。
已知：第一级反相器尺寸为：
WP/LP=？/？; WN/LN=？/？；
r=3
Vin(V) 2.5
cgn (fF) cgp (fF) C1(fF)
第1级inv的输入电容C1:
C1 (1 r) 1 Cgn 4Cgn
tpLH (ps)
1
1
第2级单个nand2的输入电容C2:
第3级单个nor2的输入电容C3:
CMOS组合逻辑门的设计
高噪声容限
CMOS电路对噪声干扰具有较强的 容忍度，因此具有较高的信号完整 性。
高速运行
CMOS电路的开关速度很快，可以 实现较高的工作频率。
低成本
CMOS电路的制作成本较低，并且 可以采用大规模量产的方式，使得 价格更加实惠。
03
CMOS组合逻辑门的设计 要素
输入和输出端口的设计
输入和输出端口是组合逻辑门的接口，需要根据应用需求进行合理设计。
案例四
• 总结词：基于不同输入/输出类型的CMOS门电路设计需要考虑不同的输入/输出类型的特点和限制，以确保 电路的性能和稳定性。
• 详细描述：CMOS门电路可以采用不同的输入/输出类型实现，如TTL、CMOS、ECL等。每种类型都有其特 点和限制，因此需要根据具体需求选择合适的类型。例如，TTL类型具有较高的速度和较低的功耗，但需要 较高的电压；CMOS类型具有较低的功耗和较高的稳定性，但速度较慢；ECL类型具有较高的速度和较低的 功耗，但需要特殊的信号电平。在设计基于不同输入/输出类型的CMOS门电路时，需要考虑这些特点和限 制，以实现最佳的性能和稳定性。
分类
组合逻辑门包括基本逻辑门（AND、OR、NOT）、复杂逻辑门（多输入门、 多输出门）和其他特殊门（如异或门、半加器等）。
组合逻辑门的基本功能
01
02
03
实现逻辑运算
组合逻辑门可以用于实现 各种基本的逻辑运算，如 与、或、非等。
组合逻辑函数
组合逻辑门可以用于实现 组合逻辑函数，即多个输 入决定一个输出的函数。
，实现复杂的逻辑功能。
在实现逻辑功能时，需要考虑电 路的复杂度、时序和功耗等因素
，以优化设计。
性能优化与功耗控制
性能优化是CMOS组合逻辑门设计 的重要环节，包括时序、功耗、面 积等方面。
第6章 门电路与组合逻辑电路(10)
>1
Y2
Y1
有“1‖出“1‖，全“0‖出 有“0‖出“0‖，全“1‖出 “0‖ “1‖
17
几种常用的逻辑关系逻辑
―与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻 辑关系都可以以它们为基础表示。 与非：条件A、B、C 都具备，则F 不发生。 有0出1，全1出0
i
（N） B
K i 2i （1001）B= 1 23 0 22 0 21 1 20=(9)D
优点：用电路的两个状态---开关 来表示二进制数，数码存储和传 输简单、可靠。 正逻辑：高电平=1，低电平=0；负逻辑：高电平=0，低电平=1 缺点：位数较多，使用不便；不合人们的习惯，输入时将十进制转 6 换成二进制，运算结果输出时再转换成十进制数。
“与非” 门逻辑状态表 A B C Y 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 逻辑表达式： 1 1 0 1 1 1 1 0 Y A B C
―或非” 门电路 >1
A B C
1
Y
―或”门 ―非”门 A >1 B Y C ―或非”门
数字集成电路知识点整理
Digital IC：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统第一章引论1、数字IC芯片制造步骤设计：前端设计（行为设计、体系结构设计、结构设计）、后端设计（逻辑设计、电路设计、版图设计）制版：根据版图制作加工用的光刻版制造：划片：将圆片切割成一个一个的管芯（划片槽）封装：用金丝把管芯的压焊块（pad）与管壳的引脚相连测试：测试芯片的工作情况2、数字IC的设计方法分层设计思想：每个层次都由下一个层次的若干个模块组成，自顶向下每个层次、每个模块分别进行建模与验证SoC设计方法：IP模块（硬核（Hardcore)、软核（Softcore)、固核（Firmcore））与设计复用Foundry（代工）、Fabless（芯片设计）、Chipless（IP设计）“三足鼎立”——SoC发展的模式3、数字IC的质量评价标准（重点：成本、延时、功耗，还有能量啦可靠性啦驱动能力啦之类的）NRE (Non-Recurrent Engineering) 成本设计时间和投入，掩膜生产，样品生产一次性成本Recurrent 成本工艺制造（silicon processing），封装（packaging），测试（test）正比于产量一阶RC网路传播延时：正比于此电路下拉电阻和负载电容所形成的时间常数功耗：emmmm自己算4、EDA设计流程IP设计系统设计（SystemC）模块设计（verilog）综合版图设计(.ICC) 电路级设计（.v 基本不可读）综合过程中用到的文件类型(都是synopsys版权)：可以相互转化.db（不可读）.lib（可读）加了功耗信息.sdb .slib第二章器件基础1、保护IC的输入器件以抗静电荷（ESD保护）2、长沟道器件电压和电流的关系：3、短沟道器件电压和电流关系速度饱和：当沿着沟道的电场达到临界值ξC时，载流子的速度由于散射效应（载流子之间的碰撞）而趋于饱和。
第六章 数字电路基本器件及组合逻辑电路 第四节TTL集成逻辑门
态时输出端得到的低电平值。典型值为0.3V。 c.关门电平Uoff：在保证输出电压为额定高电平3.6V的
90％时，允许的最大输入低电平值。一般Uoff≥0.8V。
数字电路基本器件及组合逻辑电路
即总的输出P为二个OC门单独输出P1和P2的“与”，等效 电路如图6－21 (b)所示。可见，OC与非门的“线与”可以 用来实现与或非逻辑功能。
数字电路基本器件及组合逻辑电路
②实现“总线”（BUS）传输 如果将多个OC与非门按图6－22所示连接，当某一个门 的选通输入Ei为“1”，其他门的选通输入皆为“0”时，这 时只有这个OC门被选通，它的数据输入信号Di就经过此选通 门被送上总线（BUS）。为确保数据传送的可靠性，规定任 何时刻只允许一个门的输出数据被选通，也就是只能允许一 个门挂在数据传输总线（BUS）上，因为若多个门被选通， 这些OC门的输出实际上会构成“线与”，就将使数据传送出 现错误。
TTL与非门是采用双极型的晶体管－晶体管形式集成的 与非逻辑门电路。
数字电路基本器件及组合逻辑电路
6.4.1 TTL与非门电路组成
图6－13是TTL与非门（CT54／74系列）的典型电路，它 由三部分组成：
输入级：由多发射极管VT1和电阻R1组成，完成“与” 逻辑功能。
中间级：由VT2和电阻R2、R3组成，从VT2的集电极和发 射极同时输出两个相位相反的信号，作为VT3、VT4输出级的 驱动信号，使VT3、VT4始终处于一管导通而另一管截止的工 作状态。
数字电路基本器件及组合逻辑电路
6.4.4 集成与非门芯片介绍 常用的TTL与非门集成电路有7400和7420等芯片，采用
cmos组合逻辑
cmos组合逻辑摘要：1.CMOS组合逻辑简介2.CMOS组合逻辑的优势3.CMOS组合逻辑的应用4.设计CMOS组合逻辑的步骤5.举例：如何设计一个简单的CMOS组合逻辑电路6.未来发展趋势和挑战正文：CMOS组合逻辑是计算机系统中不可或缺的一部分，它用于实现各种逻辑功能。
CMOS组合逻辑以其低功耗、高噪声容限和低成本等优势在电子领域广泛应用。
本文将介绍CMOS组合逻辑的基本概念、设计方法和实例。
一、CMOS组合逻辑简介CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种制造技术，用于制造集成电路。
在组合逻辑电路中，CMOS技术可以实现逻辑门、触发器等基本元件。
CMOS 组合逻辑电路主要包括逻辑门、触发器、寄存器、计数器等部件，这些部件通过互连实现各种逻辑功能。
二、CMOS组合逻辑的优势1.低功耗：CMOS电路在静态和动态功耗方面都表现出较低的功耗，有利于实现节能型电子设备。
2.高噪声容限：CMOS电路具有较高的噪声容限，能在恶劣环境下稳定工作。
3.低成本：CMOS工艺制造成本相对较低，有利于降低电子产品整体成本。
4.集成度高：CMOS技术可以实现高密度的集成电路，提高电子设备的性能。
三、CMOS组合逻辑的应用CMOS组合逻辑广泛应用于计算机、通信、嵌入式等领域。
如：1.计算机：CPU、北桥、南桥等芯片中的逻辑部分；2.通信：数字信号处理、基带处理、信道编解码等；3.嵌入式：微控制器、FPGA、ASIC等。
四、设计CMOS组合逻辑的步骤1.确定设计需求：明确逻辑功能和性能指标；2.设计原理图：画出逻辑电路的原理图，包括逻辑门、触发器等；3.化简逻辑：使用布尔代数或卡诺图化简逻辑表达式；4.布局布线：根据设计要求进行布局布线；5.仿真验证：对设计进行仿真验证，检查是否满足性能指标；6.制作掩膜：根据设计布局制作掩膜，进行集成电路制造。
五、举例：如何设计一个简单的CMOS组合逻辑电路假设我们需要设计一个实现异或（XOR）功能的CMOS组合逻辑电路。
清华大学《数字集成电路设计》周润德第6章组合逻辑课件.
第二节有比逻辑 VDD 电阻负载 RL F In1 In2 In3 PDN VSS (a 电阻负载 In1 In2 In3 PDN VSS (b 耗尽型NMOS负载耗尽型负载 VT < 0 VSS F In1 In2 In3 PDN VSS (c 伪NMOS F VDD PMOS负载 VDD 目的: 与互补CMOS相比可以减少器件的数目数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 1 页 2004－10－27有比逻辑 VDD Resistive Load 共 N 个晶体管 + 负载 RL VOH = VDD VOL = F RPN RPN + RL In1 In2 In3 不对称响应 PDN t pL = 0.69 RLCL 有静态功耗 VSS 2004－10－27 数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 2 页伪NMOS ( Pseudo-NMOS VDD A B C D F CL VOH = VDD (similar to complementary CMOS 2 V OL ⎞ kp ⎛ 2 – ------------- ⎟ = ------ ( V – V – V V k ⎜( V DD Tp n DD Tn OL 2 ⎠ 2 ⎝类似于互补CMOS kp V OL = ( VDD – V T 1 – 1 – ------ (assuming that V T = V Tn = VTp k n SMALLER AREA & LOAD BUT STATIC POWER DISSIPATION!!! 较小的面积和驱动负载，但有静态功耗 2004－10－27 数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 3 页Pseudo-NMOS 电压传输特性（VTC） VDD 3.0 PMOS负载 VSS Vout [V] 2.5 2.0 W/Lp = 4 F In1 In2 In3 PDN 1.5 W/Lp = 2 1.0 0.5 W/Lp = 0.5 W/Lp = 0.25 W/Lp = 1 VSS 伪NMOS 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Vin [V] 在性能、功耗＋噪声容限之间综合考虑 2004－10－27 数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 4 页伪 nMOS / pMOS 逻辑（1）伪 nMOS 逻辑的基本电路 1. 2. 3. 4. 5. p 管作负载，其栅极接地 n 个输入端的伪 nMOS 电路有 n + 1 个管子 kn k p 的比例影响传输特性的形状及反相器 V OL 的值当驱动管导通时，总有一恒定的 DC 电流（静态功耗）当驱动管和负载管均不导通时，输出电压取决于管子的次开启特性 6. 噪声容限 N M L 比 N M H 差很多 7. 基本方程 8. 应用场合 2004－10－27 数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 5 页伪 nMOS 逻辑 Vdd 负载 Vout Vin 驱动 GND 伪 pMOS 逻辑 Vdd 驱动 Vin Vout 负载 GND 2004－10－27 数字大规模集成电路清华大学微电子所周润德第六章（2）第 6 页（2）伪 NMOS 的设计：驱动管与负载管的尺寸应有一合适的比率 1. 为减少静态功耗，驱动电流 IL 应当小 2. 为了得到合理的 NML ，VOL = IL（RPDN 应当低 3. 为了减少 t PLH = C L V DD , IL 应当大 2IL 4.为了减少 t PHL = 0.69 R PDN C L ，RPDN 应当小条件 1 与 3 是矛盾的，可见：实现一个较快的门意味着较多的静态功耗及较小的噪声余量。
CMOS组合逻辑门的设计
延时取决于CL放电所需要的 时间
4. 重组逻辑结构 – 可能降低对扇入的要求，从而减少门的延时
组合电路中的性能优化
回顾：考虑性能反相器尺寸的确定 • 对于一个驱动负载CL的反相器链，它的最优扇出为f＝(CL/Cin)1/N
– N是反相器链的级数，Cin是该链中第一个门的扇入电容 • 反相器的基本延时公式：tp = tp0 ( 1+Cext / Cg ) = tp0 ( 1+f / )
• 降低开关活动性的设计技术 – 逻辑重组、输入排序、分时复用资源、通过均衡信号路径来减少 毛刺
1、逻辑功能
CMOS逻辑门 中的功耗
• 静态翻转概率 – α01 = Pout=0 Pout=1 = P0 (1-P0) – 假设输入是独立的并均匀分布，任意N个扇入的静态门
0 12 N N 02 N N 1N 02 2 N 2N N 0
A
B A B
A
B
F
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
例6.2 CMOS复合门的综合
VDD
B A
C
D
A D
B
C
FDA(BC)
互补CMOS门的静态特性
• DC电压传输特性与数据输入模式有关
A M3 B
M4
A
VGS2 = VA –VDS1 B
VGS1 = VB
M2D S
D M1
S
FAB
Cint
3
0.5m/0.25m NMOS
– 计算两输入静态NOR门的α01 =3/16
思考题6.3 N个扇入的XOR门
假设N个输入的XOR门的输入互不相关且均匀分布，推导出开关活动性 因子的表达式 α01 =1/4
第六讲动态CMOS组合电路
to other PUN’s
实验2
实验目的 练习和优化大扇入组合逻辑电路的设计 实验内容 设计8输入与非门 重组逻辑结构后得到另外一种形式的8输入与非门 比较和分析两电路的延时信息等特性,要求有必要的运 算和仿真结果
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差分型(双轨) 多米诺逻辑
off
Clk Out = AB 1 0
Mp Mkp
on
Mkp Mp
Clk 1 0 !B Out = AB
A
B
!A
Clk
Me
解决了多米诺逻辑的非反相问题
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多米诺骨牌世界记录
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无求值管多米诺（Footless Domino）
VDD Clk VDD VDD Mp Out1 Clk Mp Mr Out2
In1 In2 In3
Clk
PDN
In4
PDN
Me
Clk
Me
预充电期间若Inputs=0 则可以取消求值管(直 接与地短路)!
Clk In1 In2 In3 Clk
Mp
11 10
Out1
Clk
Mp Mkp
Out2
PDN
00 01 In4 PDN In5 Clk
Me
Me
一个多米诺（Domino）逻辑块由一个n型动态逻辑块 后面接一个静态反相器构成；由于多米诺模块输出由 一个低阻抗的静态反相器驱动，提高了抗噪声能力
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数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题 第六章 CMOS组合逻辑门的设计-Chapter 6 Designing
4
Chapter 6 Problem Set
VDD F G
A B
A
A B
A
Figure 6.6 Two-input complex logic gate.
11.
Design and simulate a circuit that generates an optimal differential signal as shown in Figure 6.7. Make sure the rise and fall times are equal.
2
VDD E 6 A A 6 B 6 C 6 D 6 F A B C D 4 4 4 4 E 1 A B C D E 4 4 4 4 E 1 6 F 6 B 6 C 6 D
Chapter 6 Problem SetVDD 6Circ来自it ACircuit B
Figure 6.2 Two static CMOS gates.
Digital Integrated Circuits - 2nd Ed
3
2.5 V
PMOS
M2 W/L = 0.5μm/0.25μm Vout Vin M1 W/L = 4μm/0.25μm NMOS Figure 6.4 Pseudo-NMOS inverter.
a. What is the output voltage if only one input is high? If all four inputs are high? b. What is the average static power consumption if, at any time, each input turns on with an (independent) probability of 0.5? 0.1? c. Compare your analytically obtained results to a SPICE simulation.
第六章门电路及组合逻辑电路
第六章门电路及组合逻辑电路第六章门电路及组合逻辑电路第⼀节门电路⼀、填空题1、门电路及由门电路组合的各种逻辑电路种类很多，应⽤⼴泛，但其中最基本的三种门电路是、和。
2、逻辑电路的两种逻辑体制中，正逻辑的⾼电平⽤表⽰，低电平⽤表⽰。
负逻辑的⾼电平⽤表⽰，低电平⽤表⽰。
3、逻辑电路中最基本的逻辑关系为、、。
⼆、判断题（正确的在括号中打“√”，错误的打“×”）（）1、处理不连续的脉冲信号的电⼦电路称为模拟电路。
（）2、逻辑电路中，⼀律⽤“1”表⽰⾼电平，⽤“0”表⽰低电平。
（）3、“与”门的逻辑功能是“有1出1，全0出0”。
（）4、“异或”门的逻辑功能是：“相同出0，不同出1”。
（）5、常⽤的门电路中，判断两个输⼊信号是否相同的门电路是“与⾮”门。
（）6、数字集成电路从器件特性可分为TTL和MOS 两⼤系列。
（）7、由分⽴元件组成的⼆极管“⾮”门电路，实际上是⼀个⼆极管反相器。
三、选择题（将正确答案的序号填⼊括号中）1、符合“或”逻辑关系的表达式是（）。
A、1+1B、1+1＝10C、1+1＝12、“与⾮”门的逻辑功能是（）。
A、全1出0，有0出1B 、全0出1，有1出0C、全1出1，有0出03、符合下列真值表6－1的是（）门电路。
A、“与”B、“或”C、“⾮”4、符合下列真值表6－2的是（）门电路。
A、“与”B、“或”C、“⾮”D、“与⾮”5、在图6－1中的四个逻辑图，能实现Y=A的电路是（）。
6、图6－2的四个电路图中，不论输⼊信号A、B为何值，输⼊Y恒为1的电路为（）。
7、满⾜图6－3所⽰输⼊输出关系的门电路是（）。
A、“与”B、“或”C、“与⾮”D、“⾮”8、满⾜图6－4所⽰输⼊输出关系的门电路是（）门。
A、“或”B、“与”C、“与⾮”D、“⾮”9、满⾜“与⾮”逻辑关系的输⼊输出波形是图6－5中的（）。
四、综合题1、如果A＝1，B=0，C=0，求下列逻辑表达式的值。
（1）Y=A+B C （2）Y＝A BC（3）Y＝A（B+C）（4）Y=CBA+A2、⽤“与⾮”门元件实现如下逻辑表达式AB+（4）Y=（A+B）（A+C）（1）Y=A+B （2）Y=AB+AC （3）Y=CD3、图6－6所⽰为三个门电路与其输⼊信号波形，试分别画出相应的输出波形。
CMOS组合逻辑门设计
Standard Cells
VDD
2-input NAND gate
VDD
B
A B
Out
A
GND
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复合门的版图设计
用棍棒图（Stick Diagrams）表示，不含具体尺 寸，只代表晶体管的相对位置
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CMOS NOR
B A A A+B A B 0 0 1 1 A B B 0 1 0 1 F 1 0 0 0
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互补CMOS复合门
B A C D OUT = !(D + A • (B + C)) A D B C
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… …
PUN 与 PDN 是对偶的网络结构
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关于PDN和PUN探讨
一个MOS管可以看作由栅信号控制的开关 PDN由NMOS构成；PUN由PMOS构成。因为NMOS产生“强0”而 PMOS器件产生“强1” NMOS串联相当于“与”逻辑，PMOS串联相当于“或”逻辑； NMOS并联相当于“或”逻辑，PMOS并联相当于“与”逻辑 根据De Morgan定理，一个互补的CMOS结构的上拉网络和 下拉网络构成对偶结构（dual networks） 互补的门本质上是反相的，只能实现NAND、NOR、XNOR、 NOT等功能，用单独一级实现非反相的布尔函数是不行的 实现一个具有N个输入的逻辑门需要2N个晶体管
fan-in
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设计
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1
Combinational Circuits
组合电路与时序电路
Combinational
In
Out Combinational
In
Logic
Out
Logic
Hale Waihona Puke CircuitCircuit
State
组合电路
两个版本的 C • (A + B)
A VDD
C
B
X
GND
A
B
C
VDD
X
GND
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20
Combinational Circuits
棍棒图
A
j
C
B
逻辑路径
X
PUN
C
X = C • (A + B) C
i
A
B
A B C
X
i
VDD
B jA
GND
PDN
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21
Combinational Circuits
S
VGS
S
D
0 VDD - VTn CL
VDD |VTp| CL
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5
Combinational Circuits
NMOS 管串联/并联连接
一个晶体管可以看成是一个由栅信号空置的开关。当控制信号为高 时NMOS开关闭合，当控制信号为低时则断开。
AB
X
Y
A
Y = X if A and B
X
B
Y
Y = X if A OR B
NMOS 管产生 “强” 0 和 “弱” 1
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6
Combinational Circuits
PMOS管串联/并联连接
PMOS 管像一个反开关，当控制信号为低时闭合，当 控制信号为高时断开。
动态电路则依赖于把信号值暂时存放在 高阻抗电路结点的电容上。
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3
Combinational Circuits
静态互补 CMOS
VDD
In1
In2
PUN
InN
In1
In2
PDN
InN
PMOS only F(In1,In2,…InN)
8
Combinational Circuits
例: NAND
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9
Combinational Circuits
例: NOR
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10
Combinational Circuits
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13
Combinational Circuits
标准单元版图策略 – 1980s
布线通道 VDD
信号
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GND
14
Combinational Circuits
(b) 下拉网络中子网识别
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VDD
VDD
C A
B
D F
A D
BC
(c) 互补逻辑门
12
Combinational Circuits
单元设计
标准单元
通用逻辑 能够被综合 相同的高度, 可变的宽度
数据通道单元
确定的结构 (算术运算单元) 包含一些连线 确定的高度和宽度
标准单元版图策略 – 1990s
镜像单元
无布线通道
VDD
VDD
M2
M3
镜像单元 © DEEig1it4a1l Integrated Circuits2nd
GND
GND
15
Combinational Circuits
标准单元
N阱
VDD
Out In
单元边界
GND
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16
Combinational Circuits
标准单元
VDD
2输入NAND门
VDD
A
B
Out
GND
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B
A
17
Combinational Circuits
棍棒图
无尺寸约束 仅表示晶体管的相对位置
VDD
反相器
GND
Out In
复杂CMOS 门
B
A C
D
OUT = D + A • (B + C) A D
B
C
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11
Combinational Circuits
如何构成一个复杂CMOS 门
A D
BC
(a) 下拉网络
F SN1
F
A
D
BC
SN4 SN2 SN3
NMOS only
PUN （上拉网络）和PDN（下拉网络）组成互补逻辑
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4
Combinational Circuits
阈值对开关的影响
PUN
PDN VDD
VDD
S
D
0 VDD
CL
VDD 0
D
CL
S
VDD VGS
VDD
D
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VDD
NAND2
Out
GND
AB
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Combinational Circuits
棍棒图
A
j
C
B
X = C • (A + B) C
i
A
B
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A B C
19
Combinational Circuits
时序电路
Output = f(In)
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Output = f(In, Previous In)
2
Combinational Circuits
静态 CMOS 设计
在静态电路中，每一时刻每个门的输出 通过一个低阻路径连到电源或地上。同时在 任何时候该门的输出即为该电路实现的布尔 函数值（忽略在切换期间的瞬态效应）。
AB
X A
Y Y = X if A AND B = A + B
X
B Y
Y = X if A OR B = AB
PMOS 管产生 “强” 1和 “弱” 0
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Combinational Circuits
互补CMOS 逻辑
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