【正文】 3) 復(fù)雜與或非門(mén) ? 輸入信號(hào) 不 同步變化 ： ? 由最左邊和最右邊的傳輸特性曲線決定電路的噪聲容限。 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 27 靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)的分析方法 ? (3) 復(fù)雜與或非門(mén) ? 瞬態(tài)特性 ： 上升時(shí)間考慮 PUN中串聯(lián)管子最多的通路，下降時(shí)間考慮 PDN中串聯(lián)管子最多的通路 。 ? ?? ?1,11,22,1 1 11 1 1 1 0 .1 1 .9 21ln2 ( ) 0 .10 .1 1 .91ln2 ( )P e ffA B DN e ff N e ffA C B CL TP D D D D TPrP e ff D D TP D DD D TPTN D D DLfN e ff D D TND D TNKKKKKKK K K KC V V V VtK V V VVVV V VCtK V VVV?????? ? ?????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ??? ? ?? ? ??? ?????????? ? ???， 或 20 .1D TNDDVV?? ????? ??????北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 28 靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)的設(shè)計(jì) ? 等效反相器方法 ： ? 根據(jù)給定的工藝參數(shù)和電路性能的要求，計(jì)算出 KN,eff和 KP,eff (串聯(lián) 支路中每個(gè) MOS管的導(dǎo)電因子增大 n倍 )； ? 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)確定每個(gè) MOS管的導(dǎo)電因子 ； ? 根據(jù)工藝條件確定 MOS管的溝道長(zhǎng)度和每個(gè) MOS管的溝道寬度。 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 29 例題 ? 設(shè)計(jì)一個(gè)電路實(shí)現(xiàn) 的功能，并要求在驅(qū)動(dòng) 10fF外部負(fù)載電容的情況下，輸出上升和下降時(shí)間都不能大于40ps。針對(duì) m工藝，已知 : ? VTN = , VTP = , μ n=220 cm2/, μ p= 76 cm2/ tOX= m, VDD=。 ? 解： 考慮到 m工藝的版圖設(shè)計(jì)規(guī)則和工藝參數(shù)，對(duì)于一般寬長(zhǎng)比（ W/L）小于 10的 MOS管，其漏區(qū) pn結(jié)電容大約在 1fF左右，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在外部負(fù)載電容較大的情況下，可以忽略輸出節(jié)點(diǎn)的 pn結(jié)電容。根據(jù)式（ ）的上升時(shí)間公式和給定的參數(shù)，可以求出使上升時(shí)間為 40ps所要求的 KP,eff, 即 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 30 解題： ? 設(shè)計(jì)過(guò)程需要確定 8個(gè)器件的溝道寬度和長(zhǎng)度 ? ?P , e f f 2 4 20 . 1 1 . 9 21ln2 ( ) 0 . 1 = 4 .1 1 0 ( A /V )L T P D D D D T Pr D D T P D DD D T PC V V V VKt V V VVV?? ??? ? ?? ? ??? ???? ????? 4 2N , e f f 4 . 2 9 1 0 ( A / V )K ??Y = ( A + B ) C + DAABBCCDDVDD北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 31 解題 ? 要使最壞情況下上拉通路和下拉通路的等效導(dǎo)電因子滿(mǎn)足上述要求，則有 ? 根據(jù)給出的柵氧化層厚度 tox， ? 可以得到 42P A P B P D P , e f f42P C P A3 1 2 . 2 7 1 0 ( A /V )1 6 . 1 3 1 0 ( A /V )2K K K KKK??? ? ? ? ?? ? ?Y = ( A + B ) C + DAABBCCDDVDD 4 2NA NB NC N, e f f 4 2ND N, e f f2 10 ( A / V ) 10 ( A / V )K K K KKK? ? ? ? ?? ? ?14 72078. 85 10 3. 9 13 .2 6 10 ( F /c m )2. 6 10oxoxoxC t?? ? ????? ? ? ??北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 32 解題 ? 又根據(jù)導(dǎo)電因子公式： ? 取所有 MOS管的溝道長(zhǎng)度為 m，則可以求出電路中每個(gè) MOS管的溝道寬度： ? 從這個(gè)例子可以看出，要使靜態(tài) CMOS電路具有和 CMOS反相器一樣的性能（對(duì)比第三章例題），則要增大串聯(lián)管的尺寸， n個(gè)管子串聯(lián)則每個(gè)管子的寬度要增大 n倍。 P p o x N n o xPN11 , 22WWK C K CLL??? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ?PA PB PD PCN A N B N C N D3. 2 μ m , 1. 6 μ m0. 74 μ m , 0. 37 μ mW W W WW W W W? ? ? ?? ? ? ?Y = ( A + B ) C + DAABBCCDDVDD北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 33 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (1) 8輸入“與” ? 性能不好 ： ?KN一定時(shí)， 下拉網(wǎng)絡(luò)的等效導(dǎo)電因子 下降； ?KN,eff一定時(shí)， 每個(gè) NMOS管的溝道寬度增大 ； ?負(fù)載電容增大 。 Y a b c d e fg?北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 34 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (1) 8輸入“與” ?4輸入與非門(mén)比 8輸入與非門(mén)的性能好 ； ?2輸入或非門(mén)比反相器 的性能 差。 ?希望減小每個(gè)邏輯門(mén)的扇入系數(shù)，同時(shí)希望最后一級(jí)是反相器 。 Y a b c d e f g h??北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 35 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (1) 8輸入“與” ?綜上分析，得到一個(gè)較好的電路結(jié)構(gòu) 。 ?根據(jù)靜態(tài) CMOS邏輯電路的構(gòu)成規(guī)律，很容易畫(huà)出對(duì)應(yīng)的 CMOS電路。 Y ab c d e f gh? ? ? ?北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 36 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (1) 8輸入“與” ? CL=2fF時(shí)的仿真結(jié)果 ? 扇入系數(shù)太大會(huì)使電路性能?chē)?yán)重退化。一般來(lái)說(shuō)，邏輯門(mén)的扇入系數(shù)不要超過(guò) 3。 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 37 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (1) 8輸入“與” ? CL=20fF時(shí)的仿真結(jié)果 ? 當(dāng)驅(qū)動(dòng)較大的外部負(fù)載電容時(shí)， 2輸入或非門(mén)的上升時(shí)間顯著大于反相器的上升時(shí)間 。 ? 第 3種 4級(jí) 結(jié)構(gòu) 的 每個(gè)邏輯門(mén)都很簡(jiǎn)單，總延遲時(shí)間比前兩種 2級(jí) 結(jié)構(gòu) 小。 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 38 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ?一般邏輯電路的設(shè)計(jì)流程 : 1)根據(jù)真值表寫(xiě)出邏輯表達(dá)式 。 2)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嬜儞Q和化簡(jiǎn) 。 3)確定電路的邏輯圖和具體實(shí)現(xiàn)的電路 。 4)根據(jù)電路性能要求確定電路參數(shù) 。 5)完成電路的版圖設(shè)計(jì)。 ? 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 39 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (2) 異或 (同或 ) Y A B A B A BY A B A B A B? ? ? ?? ? ?ABABY = A B+ Y = A B+A B Y 0 0 00 1 11 0 11 1A B Y 0 000 111 01 1 100北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 40 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (2) 異或 (同或 ) ? 變換成 “ 與或非 ” 的形式 ： ? 需要 12個(gè) MOS管 (包括產(chǎn)生反碼信號(hào)的反相器 )。 Y A B A B A B A BY A B A B A B A B? ? ? ? ?? ? ? ? ?北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 41 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (2) 異或 (同或 ) ? 用 10個(gè) MOS管產(chǎn)生異或邏輯： BC A BY AB C AB A B AB A A B??? ? ? ? ? ? ? ? ?C 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 42 43 用 AOI門(mén)實(shí)現(xiàn)異或、同或功能 VDDAABBYAABBVDDAABBYAABB異或： Y＝ AB+AB Y=A B 同或： Y=AB+AB Y=A B 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 44 ? 多路器 （ MUX）：通過(guò)控制信號(hào)從多個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)源中選擇一個(gè)傳送出去。 2 n m?約束條件：如果對(duì) m個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行 m選一 （ 3）多路選擇器 ? 控制信號(hào)的位數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足： 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 45 ? S Y ? 0 D0 ? 1 D1 二選一多路器 真值表 多路器 10 SDDSY ??V d dD 0D 0D 1D 1SSSSY北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 46 ? E Y ? 0 高阻 ? 1 A 二選一多路器 真值表 三態(tài)緩沖器 ZEAEY ??V d dAAEEYV d dD 0D 0D 1D 1SSSSY北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? 四選一多路器 ? 多路器 (MUX)： 通過(guò)控制信號(hào)從多個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)源中選擇一個(gè)信號(hào)輸出。 ? 必須保證每次 選中且 只選中一個(gè)數(shù)據(jù) 。 ? 四個(gè)數(shù)據(jù)的選擇信號(hào)： ? 根據(jù)真值表，可以得到輸出的 邏輯表達(dá)式： 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 0 , , , C s s C s s C s s C s s? ? ? ?s1 s0 Y 0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 Y s s D s s D s s D s s D? ? ? ?北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 47 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (3) 四選一多路器 ? 為避免使用太復(fù)雜的與或非門(mén)，變換邏輯表達(dá)式： ? 用了 3個(gè)相同的 二選一多路器； ? 上拉通路 和 下拉通路最多都是 2個(gè)管子串聯(lián)。 0 0 0 1 1 0 2 0 3 1( ) ( )Y s D s D s s D s D s? ? ? ? ? ?北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 48 用靜態(tài) CMOS邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)組合邏輯 ? (4) 全加器 ? 根據(jù)真值表得到邏輯表達(dá)式： ? PUN和 PDN結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng) ： ? 輸入信號(hào)反相時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)也反相，而 NMOS導(dǎo)通和PMOS導(dǎo)通需要的輸入信號(hào)剛好反相，得到的輸出也反相 。 A B Cin S Co 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 ? ? ? ?? ?O = =in in in inin inin in in ininS A B C A B C A B C A B CA B A B C A B A B CC A B C A B C A B C A B CA B A B C? ? ? ?? ? ?? ? ? ???北京大學(xué)微電子學(xué)系 賈嵩 2022 49 50 全加器：直接實(shí)現(xiàn) ? 3輸入異或門(mén)實(shí)現(xiàn)求和邏輯 ? 與或非門(mén)實(shí)現(xiàn)進(jìn)位邏輯 ? 40個(gè)晶體管 ? 利用鏡像結(jié)構(gòu)減少串聯(lián) PMOS數(shù)目 CBAS ???CABCABCo ???