【正文】 程設計論文 劉旭波 15 圖 310 保護電路 至此，完成了全部器件的參數計算，匯總列出各級 N 管和 P 管的尺寸如下： ① 輸入級 98 492NWL ?????????? 8 42PWL ?????????? 166, ???????? ??提拉管PLW ② 內部基本反相器 122 ???????? ??NLW 8 42PWL ?????????? ③ 輸入緩沖級 428 ???????? ??NLW 30 152PWL ?????????? ④ 內部三與非門 326 ???????? ??NLW 8 42PWL ?????????? ⑤ 內部四與非 門 428 ???????? ??NLW 8 =42PWL ????????? ⑥ 緩沖輸出級 10 52NWL ?????????? 36 182PWL ?????????? ⑦ 輸出級 44 222NWL ?????????? 154 772PWL ???? ?????? . 功耗與延遲估算 在估算延時、功耗時， 從輸入到輸出選出一條級數最多的支路進行估算。 74HC138電路從輸入到輸出的所有各支路中，只有 S1端加入了緩沖級，因而增加了延時與功耗，因此在估算延時、功耗時，就以 S1支路電路圖 (如下圖 311所示 )來簡化估算。 集成電路 課程設計論文 劉旭波 16 圖 311 估算延時、功耗 Cs支路電路 . 模型簡化 由于在實際工作中，八個四輸入與非門中只有一個可被選通并工作，而另七個不工作，所以估算功耗時只估算上圖所示的支路即可。 在 S1端經三級反相器后，將不工作的七個四輸入與非門等效為負載電容 CL1，而將工作的一個四輸入與非門的三個個輸入接高電平，只將 S1端信號加在反相器上。在 X點之前的電路，由于， S1均為輸入級，雖然 A0， A1， A2比 S少一個反相器，作為工程估算，可以認為七個輸入級是相同的，于是，估算功耗時對 X點這前的部分只要計算 S1這一個支路，最后將結果乘以 七 倍就可以了。在 X點之后的電路功耗，則只計算一個支路。 . 功耗估算 CMOS電路的功耗中一般包括靜態(tài)功耗、瞬態(tài)功耗、交變功耗。由于 CMOS電路忽略漏電，靜態(tài)功耗近似為 0，工作頻率不高時，也可忽略交變功耗，則估算時只計算瞬態(tài)功耗 PT即可。 TP 是上述 S1支路各級 器件功耗的總和（共有 7級），即：m a x2 fVCP ddL總T ??? 其中： ? ? LXsXgXPNLXsXgXPNL CCCCCCCCC ? ? ?? ? ? ???????? 后后后前前前總 ＝ ,1,4 PNC 為本級漏極 PN結電容，按 ①相關公式計算： 22 ,X,X7 5 6 3 6 0 2 6 4 1 3 25 1 6 1 1 8 8 1 8 4 4 0 8jN jP jsw N jsw PPNjN jP jsw N jsw PPNC C C C CC C C C C? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 前后 集成電路 課程設計論文 劉旭波 17 gC 為與本級漏極相連的下一級柵電容，按 ②的 gC 計算（這里忽略輸入提拉管的電容做近似計算）： ? ?? ?2,X2,X98 8 2 8 8 30 6 8 2 33610 36 44 154 2 488o x o xgo x o xgC C CC C C? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? 前前sC 為本級漏連接到下一級柵連線雜散電容，其值較小，可忽略不計。 1LC 為斷開的三個三輸入的非門柵電容，按 ②的 gC 計算（這里取其中一個門做近似）： ? ? 21 7 7 8 8 2 22 4L g o x o xC C C C? ? ? ?? ? ? ? LC 為最后一級（即輸出級）的下一級柵電容，即負載電容 25pF。 X前、 X后表示 S1支路電路中 X點之前或 X點之后的所有器件。 ? ? ? ?? ?2 2 2,24 4 3 69 9 6 11354 0 262 8 124 0 936 272 8354 0 2 10 262 8 2 10 272 8 4 10 10124 0 1 10 936 1 10 10 25 63 10jN jP js w N js w P ox LLC C C C C C CpFF? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ???總對于74HC138器件，整個芯片功耗為 PT: 11 2 62 .6 6 3 1 0 5 3 0 1 0 1 9 .9 7 2 5TP P m W?? ? ? ? ? ? ?總 符合設計要求。 . 延遲估算 算出每一級等效反相器延遲時間，總的延遲時間為各級（共 7級）延遲時間的總和。各級等效反相器延遲時間可用下式估算： )22(21)(21 frpH LpL Hpd ttttt ???? ???71i pdipdtt 各字母的意義如圖 312所示。 集成電路 課程設計論文 劉旭波 18 圖 312 延遲時間，上升與下降時間 匯總列出每一集器件延遲時間，最后得出總的延遲時間。 470 . 7 3 9 5 0 . 7 3 9 5 2 . 0 8 9 0 1 01 0 0 3 . 5 4 1 0LLrLP P PP o xCCL L LtCC W W W? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?370 . 7 3 9 5 0 . 7 3 9 5 5 . 9 6 8 5 1 03 5 0 3 . 5 4 1 0LLfLN N Nn o xCCL L LC W W W? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?41 0 . 5 9 6 5 ( ) 2 . 0 8 9 0 ( ) 1 04p d N P LLLtCWW??? ? ????? 計算各級的 LC 公式： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?, , 39。 39。9 9 1 5 9 39。39。2 2 2 22 .3 6 1 0 2 .3 6 1 0 7 .2 1 0 2 .1 2 4 1 0L N jN P jP jsw N N jsw P P N P o xN P N PC W C W C b C b W C b W W W L CW W W W? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ① 輸入級 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ?1 , , 39。 39。9 9 15 939。39。9 6 9 6 15 9 6142 2 2 2 10 10 10 10 10 98 10 10 8 10 10 10 2 8 0 .3 10 10 FL N jN P jP js w N N js w P P N P oxN P N PC W C W C b C b W C b W W W L CW W W W? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???4114 41 969 ( ) 890 ( ) 1041 1 969 890 62 10 104 49 4pd N P LLLtCWWns???? ? ???????? ? ? ? ? ? ?????? 同理可以代入相關數據計算其它級的 LC 及延遲 pdt 集成電路 課程設計論文 劉旭波 19 ② 內部反相器 142 10 FLC ??? 2 ns? ③ 三輸入與非門 143 10 FLC ??? 3 74 5pdt ns? ④ 輸入緩沖級 144 10 FLC ??? 4 ns? ⑤ 四輸入與非門 145 10 FLC ??? 5 80 3pdt ns? ⑥ 輸出緩沖級 136 93 10 FLC ??? 6 ns? ⑦ 輸出級 127 47 10 FLC ??? 7 11 3pdt ns? 所以，總的延遲時間為 71 46 49 45 320 03 76 13 52 15p d p d iittns ns?? ? ? ? ? ?????? 符合設計要求。 電路模擬中為了減小工作量，使用上述功耗與延遲估算部分用過的 S1支路電路圖。為了計算出功耗，在兩個電源支路分別加入一個零值電壓源 V11和 V12，電壓值為零（如下圖 313所示），在模擬時進行直流掃 描分析，然后就可得出功耗。 圖 313 電路模擬用 S1支路電路 集成電路 課程設計論文 劉旭波 20 把此電路圖轉化為 SPICE文件，加入電路特性分析指令和控制語句，即可進行電路模擬。 在延遲仿真的時候， rt 和 ft 相差較大，所以調整了輸出級的 NMOS管的尺寸，增大為 20240 ???????? ??NLW。同時為了遵循版圖規(guī)則，基本反相器的尺寸由原來的