四位串行进位加法器设计教学文稿

四位串行进位加法器

设计

集成电路CAD课程设计报告

四位串行加法器设计

1串行进位加法器简介

1.1加法器实现多为二进制数相加的电路，称为加法器。根据进位方式不同，有串行进位加法器和超前进位加法器之分。采用串行进位方式，优点是电路简单，连接方便；缺点是运算速度不高。原理：把四个全加器（例如两片74LS183）依次级联起来，便可构成四位串行进位加法器。因此四位串行进位加法器的设计可以分以下两步进行：（1）全加器设计；（2）将全加器级联，构成四位串行进位加法器

（a）（b）

图（1）四位串行加法器7483

1.2 图2为四位串行加法器7483逻辑图

图（2）四位串行加法器

2 四位串行进位加法器的设计实现：

2.1 输出级电路设计

与TTL电路兼容驱动10个TTL

①输出高电平时｜IoH｜<=20ｕＡ VoHmin=4.4V

②输出低点平时｜IoH｜<=20mＡ VoHmax=0.4V

③输出级充放电时间tr=tf

计算电路如图3所示

①以15个PF 的电容负载代替10个TTL 电路来计算tr 、tf ②输入V 为的前一级的输出被认为是理想的输出，即：ViL=Vss,ViH=Vdd

③计算电流时，负载为电流负载，有拉电流的灌电流。

图3

（1）CMOS N 管（W/L ）N 的计算：

当输入为高电平时（Vi=Vdd ）,N 管导通后级TTL 电路有较大的灌电流输入，此时（表示成对称形式）

使方括号中的值和栅电容Cox 及电子迁移率un 为最小值:

o u t

00f f

[]

200200)()(2V V V V V V C L W I tn i s tn ox N n dsn -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax

0m in 2

ox SiO ox t C εε=

(2) CMOS P 管（W/P ）p 的计算

｜IoH ｜<=20ｕＡ时有 VoHmin=4.4V

tr=tf

① 以Ioh<=20ｕＡ时VoHmin=4.4V 的条件计算

最坏的情况下

Vdd=4.5V,Vohmin=4.4v,Vtp=0.8V,

230m ax 0m in -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n n μμ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164m in n L W []

202)()(2oh tp i dd tp i ox p p oh V V V V V V C L W I -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax 0m in 2ox SiO ox t C εε=230m ax 0m in -

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n p μμ

经计算可得

②tr=tp 的条件计算：CMOS 中

αp=αn

所以 ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛21532227.7p

L W dd tp p V V =αdd

tn n V V =αdd p L p V k C =τ()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+--=p n n n n f arth t αααατ111.011)1.0(2p p n n p n n p f r L W L W k k t t

μμττ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164min

n L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛275931138min

n L W

2.2 输入级设计

输入电平Vih 可能为2.4V

（1）拉管P2

为了节省面积，同时又能使Vih 较快上升，取

图4

(2)CMOS 反向器的P1管

此P1管应取内部基本反向器的尺寸

∆===⎪⎭ ⎝236.164min

n L ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312p L W

∆

∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546内p L W

（3）CMOS 反相器的N 管

TTL 的输出电平在0.4-2.4之间

V1*=ViLmax+Vihmin=1.4V

式中βk=kn/kp,Vdd=5V,Vtn=0.7V,Vi*=1.4V, βk=17.16

2.3 内部基本反相器中各MOS 管尺寸的计算 内部反相器的负载电容：

①本级漏极的PN 结电容Cpn

1

K k V V k V p n TP DD p *I

+++=+++=R TP DD TN R TN N V V V V k ββ）（∆∆=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛2230W n p R pl

nl L L W μμβ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛22303345nl L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546pl

L W ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312

p L W

②下级的栅电容Cc1

③连线杂散电容Cs

Cpn+Cc1=10Cs

Cs :铝线宽5um,长100um ，在场区上面，此铝线的电容为

Cpn 和Cl ：

N 管 其衬底是P 型，所以 NB=2⨯1016 cm-3

设结深Xi=0.5um R □=20Ω/□

对于P 管

Cpn= )(10726.1100.19.31085.8101005C 14482014

F t A s oxF SiO Al ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-εεϕεε2021021C C p jn n jp Si qN C jpn ===++2l n i

B n N N q k T =ϕ318õ10862.7R 1N -⨯==cm x q j μ2

8/10195.2cm F C p jN -+⨯=2

8/101396.1cm F C N jP -+⨯=Cp n Cn p

+++