【正文】 設(shè)計(jì)內(nèi)容 (1) 功能分析及邏輯設(shè)計(jì)； (2) 電路設(shè)計(jì)； (3) 估算功耗與延時(shí)； (4) 電路模擬與仿真； (5) 版圖設(shè)計(jì)（全手工、層次化設(shè)計(jì)） ； (6) 版圖檢查： DRC 與 LVS； (7) 后仿真 (選做 )； (8) 版圖數(shù)據(jù)提交。 3. 設(shè)計(jì)方法及分析 74HC138 芯片簡(jiǎn)介 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A2），并當(dāng)使能時(shí)，提供 8 個(gè)互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138將保持所有輸出為高。 圖 31 74HC138引腳圖 表 31 74HC138真值表 INPUTS 輸入 Outputs 輸出 ENABLE 使能 ADDRESS 地址 E3 E2 E1 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 X X H X X X H H H H H H H H L X X X X X H H H H H H H H X H X X X X H H H H H H H H H L L L L L L H H H H H H H H L L L L H H L H H H H H H H L L L H L H H L H H H H H H L L L H H H H H L H H H H H L L H L L H H H H L H H H H L L H L H H H H H H L H H H L L H H L H H H H H H L H H L L H H H H H H H H H H L 74HC138 邏輯表達(dá)式： )( 0120 AAAY ? )( 0124 AAAY ? 集成電路 課程設(shè)計(jì)論文 劉旭波 5 )( 0121 AAAY ? )( 0125 AAAY ? )( 0122 AAAY ? )( 0126 AAAY? )( 0123 AAAY ? )( 0127 AAAY ? 74HC138 的邏輯圖如圖 32 所示： 圖 32 74HC138邏輯圖 工藝和規(guī)則及模型文件的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取 MOSIS: mhp_ns5 作為工藝及設(shè)計(jì)規(guī)則，從 文件可知： Technology: (Lambda = ) / Nwell，本設(shè)計(jì)采用的參數(shù)如下： m??? ?? 根據(jù)所選擇的工藝，本設(shè)計(jì)選取的 CMOS 流程元件模型文件 ，使用其參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 集成電路 課程設(shè)計(jì)論文 劉旭波 7 圖 33 輸出級(jí)等效電路 (1) 輸出級(jí) N 管 (W/L)N 的計(jì)算 當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平， N 管導(dǎo)通，后級(jí) TTL 有較大的灌電流輸入，要求 mA4?OLI ， , ?manOLV ，依據(jù) MOS 管的理想電流統(tǒng)一方程式： ])()[()( 2221 DTGSTGLWoxnds VVVVVVCI ?????????? ? 可以求出 (W/L)N 的值。同時(shí)要求 N 管和 P 管的充放電時(shí)間 fr tt ? ，分別求這兩個(gè)條件下的 ? ? / min,PLW 極限值，然后取大者。其主要計(jì)算如下： ? ? ? ?? ?222 dtpgstpgoxp ds pP VVVVVVC ILW ???????????? ? 集成電路 課程設(shè)計(jì)論文 劉旭波 8 ? ? ? ?62272 20 1010 0 4 10 0 1 5 0 1 54 491???????? ? ? ? ? ? ? ????? ② 以 fr tt ? 為條件計(jì)算 ? ? / min,PLW 的極限值 N 管和 P 管的充放電時(shí)間 rt 和 ft 表達(dá)式分別為 ? ?? ? ? ? ??????????? ???????????????? 2 dd tnddtnddtndd ddtnnnox Lf V VVVVVV VVWLC Ct ? ? ?? ? ? ? ??????????? ?????????????????? ddtpddtpddtpddddtpppoxLr V VVVVVVVVWLCCt 2? 其計(jì)算過(guò)程如下： 由 fr tt ? ，故有 ? ?? ? ? ? ??????????? ??????????????? dd tnddtnddtndd ddtnnn V VVVVVV VVWL 21? = ? ?? ? ? ? ??????????? ????????????????ddtpddtpddtpddddtppp VVVVVVVVVWL21? 令 ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?222 0 .1 1 9 2 01 ln2 1 0 .1 5 1 1 9 5 2 0 1 l n5 1 551 0 .7 3 9 5tn dd dd tnndd tn dddd tnVV VVKV V VVV? ????????????? ? ? ???????? ???? ? ?? ? ? ?? ?? ? ? ?222 19 201ln2 1 5 1 19 5 20 1 l n5 1 551 39 5tp dd dd tppdddd tpdd tpVV VVKVVVVV??? ??????? ???? ? ? ???????? ???? 0 . 7 3 9 5 3 5 0 = 7 70 . 7 3 9 5 1 0 0pnWWLL ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? 在兩種方法中，因?yàn)??中的 ? ? / PLW 大于 ?中的 ? ? / PLW ，故取方法 ?中計(jì)算的結(jié)果，即 77PWL??????? 。關(guān)鍵點(diǎn)是先求出式中的 LC (即負(fù)載 )。 ①本級(jí)漏極 PN 結(jié)電容 Cpn 計(jì)算 ? ? ? ?bWWb 22CC C js wjpn ????? 其中 jC 是每 2m? 的結(jié)電容， jswC 是每 m? 的周界電容， b 為有源區(qū)寬度，可從設(shè)計(jì)規(guī)則獲取。 總的漏極 PN 結(jié)電容應(yīng)是 P 管 的和 N 管的總和，即： ? ? ? ? ? ?bWbWbWW PNPN 22C22CCC C Pj s w ,Nj s w ,Pj,Nj,pn ????????? ②柵電容 Cg 計(jì)算 ? ?PNoxg WWCC ?? 此處 NW 和 pW 為與本級(jí)漏極相連的下一級(jí) N 管和 P 管的柵極尺寸，近似取輸出級(jí)的 NW 和 pW 值。所以，內(nèi)部基本反相 器的總負(fù)載電容 LC為上述各電容計(jì)算值之和。取 t ns?? ，由 r t方程，代入數(shù)據(jù)有： ? ?9 9 1 3 6972 . 3 6 1 0 2 . 3 6 1 0 1 . 3 3 1 0 0 . 7 3 9 5 0 . 6 1 00 . 9 1 0 3 5 0 3 . 5 4 1 0NPNWW W? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ??? ?? 又有 fr tt ? ，即 N ? ，代入上式解得 2NW ?? = 2 =7PW ??? 取整數(shù)，得到 122 ???????? ??NLW 7=42PWL ???? ????? ． 四輸入與非門(mén) MOS 尺寸的計(jì)算 四輸入與非門(mén)的電路如圖 35所示。因此， N管的尺寸放大 4倍，而 P管尺寸不變，即： i n vP4Pi n v4 4 ，內(nèi)與非，內(nèi)與非， ＝＝ ???????????????????????? LWLWLWLWNN 代入內(nèi)部反相器的寬長(zhǎng)比，可以算出邏輯 MOS 尺寸： 4 P 44 1 4 NWWLL? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?， 與 非 ， 與 非＝ ＝ 4 集成電路 課程設(shè)計(jì)論文 劉旭波 11 圖 35 四輸入與非邏輯門(mén)電路 ． 三輸入與非門(mén) MOS 尺寸的計(jì)算 同理可以計(jì)算三輸 入與非門(mén)的尺寸，其邏輯電路圖如圖 36 所示。故采用圖 37 所示的電路，通過(guò)正反饋的 P2 作為上提拉管 ，使 iHV 較快上升，減小功耗，加快翻轉(zhuǎn)速度。理論上，這里取?? 2,2 ?? WL 。 ② CMOS 反相器 P1 管 ? ? 1W/L 1 ?P 的計(jì)算 此 P1 管應(yīng)取內(nèi)部基本反相器的尺寸。其中 S0 經(jīng)一級(jí)輸入反相器和一級(jí)三與非門(mén)后，形成 0S , 用 0S 去驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)四輸入與非門(mén)，故需要緩沖級(jí)，使其驅(qū)動(dòng)能力增加。由于 A A A0 以及 2A 、 1A 、 0A 各驅(qū)動(dòng)內(nèi)部與非門(mén) 4 個(gè)，所以可以不用緩沖級(jí)。 圖 38 Cs 的緩沖級(jí) 圖中 M1 為輸入級(jí)， M2 為內(nèi)部門(mén)， M3 為緩沖級(jí)驅(qū)動(dòng)門(mén)。如果要求尺寸或功耗最佳，級(jí)間比值為 2～ 10。 N 為扇出系數(shù)，它的定義是： 積前級(jí)等效反相器柵的面 下級(jí)柵的面積＝N 在本例中，前級(jí)等效反相器柵的面積為 M2 的 P 管和 N 管的柵面積總和，下級(jí)柵的面積為 8 個(gè)四輸入與非門(mén)中與 S 相連的所有 P 管和 N 管的柵面積總和。將與非門(mén) M1 等效為一個(gè)反相器，類(lèi)似集成電路 課程設(shè)計(jì)論文 劉旭波 14 上述 S 的緩沖級(jí)設(shè)計(jì)，計(jì)算出 M2 的 P 管和 N 管的尺寸。而 MOS 器件的柵氧化層極薄，這些感應(yīng)的電荷使得 MOS 器件的柵與襯底之間產(chǎn)生非常高的電場(chǎng)。 輸入保護(hù)電路有單二極管、電阻結(jié)構(gòu)和雙二極管、電阻結(jié)構(gòu)。保護(hù)電路中的電阻可以是擴(kuò)散電阻、多晶硅電阻或其他合金薄膜電阻，其典型值為 300～ 500Ω。 由于保護(hù)電路計(jì)算比較復(fù)雜，