数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)复习资料
数字电子技术(第二版)复习题册答案
《数字电子技术（第二版）》习题册部分参考答案课题一认识数字电路任务一认识数制与数制转换一、填空题1．时间数值 1 02．1 8 153．1 128 2554．75．96．16二、选择题1．C 2．B 3．C 4．B 5．C 6．A 7．D三、判断题1．√ 2．√ 3．× 4．× 5．√ 6．× 7．√ 8．√ 9．×四、问答题1．答：数字电路中的信号为高电平或低电平两种状态，它正好与二进制的1和0相对应，因此，采用二进制更加方便和实用。
2．答：十六进制具有数据读写方便，与二进制相互转换简单，较直观地表示位状态等优点。
五、计算题1．（1）7 （2）15 （3）31 （4）2132．（1）［1010］2 （2）［1 0000］2（3）［100 0000 0000］2 （4）［100 0000 0110］23．（1）［27］8（2）［35］8（3）［650］8（4）［3153］84．（1）［010 111］2（2）［001 101 110］2（3）［010 000 000］2（4）［001 110 101 101］25．（1）0FH （2）1FH（3）36H （4）0AE63H6．（1）0001 0110 B （2）0010 1010 1110 B（3）1011 1000 1111 1100B （4）0011 1111 1101 0101B任务二学习二进制数算术运算一、填空题1．加减乘除2．0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=103．0－0=0 1－0=1 1－1=0 10－1=14．0×0=0 0×1=0 1×0=0 1×1=15．1 06．最高正负原码7．字节8．半字节9．字二、选择题1．C 2．B 3．C 4．B 5．B 6.B 7.C三、判断题1．√ 2．× 3．× 4．√四、问答题1．答：将二进制数0011移位至0110，是向左移动一位，应做乘2运算。
数字集成电路考试 知识点
数字集成电路考试知识点一、数字逻辑基础。
1. 数制与编码。
- 二进制、十进制、十六进制的相互转换。
例如，将十进制数转换为二进制数可以使用除2取余法；将二进制数转换为十六进制数，可以每4位二进制数转换为1位十六进制数。
- 常用编码，如BCD码（8421码、余3码等）。
BCD码是用4位二进制数来表示1位十进制数，8421码是一种有权码，各位的权值分别为8、4、2、1。
2. 逻辑代数基础。
- 基本逻辑运算（与、或、非）及其符号表示、真值表和逻辑表达式。
例如，与运算只有当所有输入为1时，输出才为1；或运算只要有一个输入为1，输出就为1；非运算则是输入和输出相反。
- 复合逻辑运算（与非、或非、异或、同或）。
异或运算的特点是当两个输入不同时输出为1，相同时输出为0；同或则相反。
- 逻辑代数的基本定理和规则，如代入规则、反演规则、对偶规则。
利用这些规则可以对逻辑表达式进行化简和变换。
- 逻辑函数的化简，包括公式化简法和卡诺图化简法。
卡诺图化简法是将逻辑函数以最小项的形式表示在卡诺图上，通过合并相邻的最小项来化简逻辑函数。
二、门电路。
1. 基本门电路。
- 与门、或门、非门的电路结构（以CMOS和TTL电路为例）、电气特性（如输入输出电平、噪声容限等）。
CMOS门电路具有功耗低、集成度高的优点；TTL门电路速度较快。
- 门电路的传输延迟时间，它反映了门电路的工作速度，从输入信号变化到输出信号稳定所需要的时间。
2. 复合门电路。
- 与非门、或非门、异或门等复合门电路的逻辑功能和实现方式。
这些复合门电路可以由基本门电路组合而成，也有专门的集成电路芯片实现其功能。
三、组合逻辑电路。
1. 组合逻辑电路的分析与设计。
- 组合逻辑电路的分析方法：根据给定的逻辑电路写出逻辑表达式，化简表达式，列出真值表，分析逻辑功能。
- 组合逻辑电路的设计方法：根据逻辑功能要求列出真值表，写出逻辑表达式，化简表达式，画出逻辑电路图。
2. 常用组合逻辑电路。
(整理)集成电路原理学习指南-第二版
沟道等效电阻
（1）与W/L反比，
（2）与电压有关，
（3）VDD大的时候较小（饱和工作区）
（4）VDD接近Vt的时候急剧增大
（5）一般使用工作区平均电阻
掌握
3.18
电阻的近似
平均电阻，并估算其误差（保守估计还是过估计）
掌握
3.19
结构电容
栅电容，覆盖电容
掌握
3.20
沟道电容
在不同工作区域的变化和原因，在阈值附近最小
f=Cext/Cint=Cext/γCg，尺寸决定电容，所以也是扇出尺寸，为工艺决定的系数，代表自电容与栅电容的关系
掌握
5.13
反相器链的最优尺寸设计
每一级为前后级的几何平均
扇出系数公式（5.35），公式（5.36）
掌握
5.14
最佳等效扇出
图5.21（pp 152），一般取4
掌握
5.15
上升下降时间对延时的影响
了解
3.26
电容估算
（1）栅电容，扩散电容大致相当（定义单位NMOS和PMOS的栅电容为C）
（2）它们随沟道宽度等比增加（kC）
（3）最小晶体管C值可初略估计为1fF/um宽度（65nm工艺，宽0.1um晶体管的C值约为0.1fF）
[Weste，4.3.2]
掌握
第四章导线
序号
概念
知识点和关键词
掌握程度
掌握
3.13
MOS IV特性
画出IV图，标出工作区，图3.24（pp 74）
掌握并会定性画图
3.14
手工分析的局限
在电阻区和过度区之间的区域偏差较大
了解
3.15
设计测试点验证IV
知道晶体管几个端口的电压，固定哪个，量哪个电流，可以提取以上列出的某个参数。
数字逻辑与数字集成电路第2版
CATALOGUE
06
平均无故障时间、平均修复时间、可用性等，这些指标用于衡量数字系统的可靠性水平。
采用冗余设计、容错技术、故障检测与恢复机制等手段，提高数字系统的可靠性，确保系统稳定运行。
设计方法
可靠性指标
故障诊断
通过监控系统的运行状态、分析异常数据等方式，快速定位故障原因，为故障排除提供依据。
详细描述
总结词
可编程逻辑器件是一种可以通过编程实现各种数字逻辑功能的集成电路。
详细描述
可编程逻辑器件是一种可以通过编程实现各种数字逻辑功能的集成电路。它由可编程的逻辑门电路组成，用户可以通过编程来配置这些门电路的连接和参数，从而实现所需的数字逻辑功能。常见的可编程逻辑器件包括可编程逻辑阵列（PLA）、可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）等。由于其灵活性高、可重复编程的特点，可编程逻辑器件被广泛应用于数字系统设计、数字信号处理和嵌入式系统等领域。
数字系统设计
CATALOGUE
03
将数字系统设计分为逻辑抽象、功能抽象和行为抽象三个层次，以便更好地理解和设计复杂的数字系统。
抽象化设计
从系统总体功能和行为出发，逐步细化设计，直至完成每个最小单元的设计。
自顶向下设计
将复杂的数字系统划分为若干个相对独立、功能明确的模块，便于设计、调试和维护。
模块化设计
数字逻辑与数字集成电路第2版
contents
目录
数字逻辑基础数字电路基础数字系统设计数字信号处理数字通信与网络数字系统安全与可靠性
数字逻辑基础
CATALOGUE
01
03
逻辑表达式的化简
通过逻辑代数的基本定理和运算规则，将复杂的逻辑表达式化简为简单的形式，便于分析和理解。
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.
数字集成电路-电路系统与设计第二版课程设计
数字集成电路-电路系统与设计第二版课程设计
一、课程设计介绍
数字集成电路是现代电路设计中的重要组成部分，也是计算机科学与工程的重要分支。
本课程设计旨在通过对数字集成电路的系统与设计进行探究，并结合具体的案例来设计和实现数字集成电路，使学生能够熟悉数字集成电路的基本原理、设计方法和实现技术。
本课程设计主要包含以下内容：
1.数值系统和编码
2.逻辑功能设计：组合逻辑电路和时序逻辑电路
3.集成电路设计方法和流程
4.VHDL和FPGA实现数字逻辑电路
5.数字信号处理器
通过本次课程设计，学生将掌握数字集成电路的系统性设计思路和实现方法，具备数字电路设计的基本能力和实际操作技术，能够针对具体应用场景提出解决方案，实现数字电路的设计、验证和调试。
二、课程设计要求
1. 课程设计题目
本次课程设计的题目为“4位计数器设计”。
2. 软件工具
VHDL编程软件和EDA工具
1。
【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。
数字集成电路--电路、系统与设计（第二版）课后练习题第六.
数字集成电路--电路、系统与设计（第⼆版）课后练习题第六.Digital Integrated Circuits - 2nd Ed 11 DESIGN PROJECT Design, lay out, and simulate a CMOS four-input XOR gate in the standard 0.25 micron CMOS process. You can choose any logic circuit style, and you are free to choose how many stages of logic to use: you could use one large logic gate or a combination of smaller logic gates. The supply voltage is set at 2.5 V! Your circuit must drive an external 20 fF load in addition to whatever internal parasitics are present in your circuit. The primary design objective is to minimize the propagation delay of the worst-case transition for your circuit. The secondary objective is to minimize the area of the layout. At the very worst, your design must have a propagation delay of no more than 0.5 ns and occupy an area of no more than 500 square microns, but the faster and smaller your circuit, the better. Be aware that, when using dynamic logic, the precharge time should be made part of the delay. The design will be graded on themagnitude of A × tp2, the product of the area of your design and the square of the delay for the worst-case transition.。
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第一章 数字集成电路介绍第一个晶体管，Bell 实验室，1947第一个集成电路，Jack Kilby ，德州仪器，1958 摩尔定律：1965年，Gordon Moore 预言单个芯片上晶体管的数目每18到24个月翻一番。
(随时间呈指数增长)抽象层次：器件、电路、门、功能模块和系统 抽象即在每一个设计层次上，一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑匣子或模型来代替。
这一模型含有用来在下一层次上处理这一模块所需要的所有信息。
固定成本（非重复性费用）与销售量无关；设计所花费的时间和人工；受设计复杂性、设计技术难度以及设计人员产出率的影响；对于小批量产品，起主导作用。
可变成本 （重复性费用）与产品的产量成正比；直接用于制造产品的费用；包括产品所用部件的成本、组装费用以及测试费用。
每个集成电路的成本=每个集成电路的可变成本+固定成本/产量。
可变成本=（芯片成本+芯片测试成本+封装成本）/最终测试的成品率。
一个门对噪声的灵敏度是由噪声容限NM L （低电平噪声容限）和NM H （高电平噪声容限）来度量的。
为使一个数字电路能工作，噪声容限应当大于零，并且越大越好。
NM H = V OH - V IH NM L = V IL - V OL 再生性保证一个受干扰的信号在通过若干逻辑级后逐渐收敛回到额定电平中的一个。
一个门的VTC 应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区(即不确定区)，该过渡区以两个有效的区域为界，合法区域的增益应当小于1。
理想数字门 特性：在过渡区有无限大的增益；门的阈值位于逻辑摆幅的中点；高电平和低电平噪声容限均等于这一摆幅的一半；输入和输出阻抗分别为无穷大和零。
传播延时、上升和下降时间的定义传播延时tp 定义了它对输入端信号变化的响应有多快。
它表示一个信号通过一个门时所经历的延时，定义为输入和输出波形的50%翻转点之间的时间。
上升和下降时间定义为在波形的10%和90%之间。
对于给定的工艺和门的拓扑结构，功耗和延时的乘积一般为一常数。
功耗-延时积(PDP)----门的每次开关事件所消耗的能量。
一个理想的门应当快速且几乎不消耗能量，所以最后的质量评价为。
能量-延时积(EDP) = 功耗-延时积2。
第三章、第四章CMOS 器件 手工分析模型()0 12'2min min ≥⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=GT DS GT D V V V V V LW K I 若＋－λ()DSAT DS GT V V V V ,,m in min ＝寄生简化：当导线很短，导线的截面很大时或当所采用的互连材料电阻率很低时，电感的影响可以忽略：如果导线的电阻很大(例如截面很小的长铝导线的情形)；外加信号的上升和下降时间很慢。
当导线很短，导线的截面很大时或当所采用的互连材料电阻率很低时，采用只含电容的模型。
当相邻导线间的间距很大时或当导线只在一段很短的距离上靠近在一起时：导线相互间的电容可以被忽略，并且所有的寄生电容都可以模拟成接地电容。
平行板电容：导线的宽度明显大于绝缘材料的厚度。
边缘场电容：这一模型把导线电容分成两部分：一个平板电容以及一个边缘电容，后者模拟成一条圆柱形导线，其直径等于该导线的厚度。
多层互连结构：每条导线并不只是与接地的衬底耦合（接地电容），而且也与处在同一层及处在相邻层上的邻近导线耦合（连线间电容）。
总之，再多层互连结构中导线间的电容已成为主要因素。
这一效应对于在较高互连层中的导线尤为显著，因为这些导线离衬底更远。
例4.5与4.8表格 电压范围 集总RC 网络 分布RC 网络 0 → 50%(t p) 0.69 RC 0.38 RC0 → 63%(τ) RC 0.5 RC 10% → 90%(t r) 2.2 RC 0.9 RC0 → 90% 2.3 RC 1.0 RC例4.1 金属导线电容考虑一条布置在第一层铝上的10cm 长，1μm 宽的铝线，计算总的电容值。
平面(平行板)电容： ( 0.1×106μm2 )×30aF/μm2 = 3pF 边缘电容：2×( 0.1×106μm )×40aF/μm = 8pF 总电容： 11pF 现假设第二条导线布置在第一条旁边，它们之间只相隔最小允许的距离，计算其耦合电容。
耦合电容： C inter = ( 0.1×106μm )×95 aF/μm2 = 9.5pF材料选择：对于长互连线，铝是优先考虑的材料；多晶应当只用于局部互连；避免采用扩散导线；先进的工艺也提供硅化的多晶和扩散层接触电阻：布线层之间的转接将给导线带来额外的电阻。
布线策略：尽可能地使信号线保持在同一层上并避免过多的接触或通孔；使接触孔较大可以降低接触电阻(电流集聚在实际中将限制接触孔的最大尺寸)。
采电流集聚限制R C , (最小尺寸)：金属或多晶至n+、p+以及金属至多晶为 5 ~ 20 Ω ；通孔(金属至金属接触)为1 ~ 5 Ω 。
例4.2 金属线的电阻考虑一条布置在第一层铝上的10cm 长，1μm 宽的铝线。
假设铝层的薄层电阻为0.075Ω/□，计算导线的总电阻：R wire ＝0.075Ω/□⨯(0.1⨯106μm)/(1μm)＝7.5k Ω 例4.5 导线的集总电容模型假设电源内阻为10k Ω的一个驱动器，用来驱动一条10cm 长，1μm 宽的Al1导线。
电压范围 集总RC 网络 分布RC 网络 0 → 50%(t p) 0.69 RC 0.38 RC0 → 63%(τ) RC 0.5 RC10% → 90%(t r) 2.2 RC 0.9 RC0 → 90% 2.3 RC 1.0 RC使用集总电容模型，源电阻R Driver ＝10 k Ω，总的集总电容C lumped ＝11 pFt 50% = 0.69 ⨯ 10 k Ω ⨯ 11pF = 76 ns t 90% = 2.2 ⨯ 10 k Ω ⨯ 11pF = 242 ns 例4.6 树结构网络的RC 延时节点i 的Elmore 延时： τDi = R 1C 1 + R 1C 2 + (R 1+R 3) C 3 + (R 1+R 3) C 4 + (R 1+R 3+R i ) C i 例4.7 电阻-电容导线的时间常数 总长为L 的导线被分隔成完全相同的N 段，每段的长度为L/N 。
因此每段的电阻和电容分别为rL/N 和cL/N R (= rL) 和C (= cL) 是这条导线总的集总电阻和电容()()()N N RC N N N rcL Nrc rc rc N L DN 2121 (22)22+=+=+++⎪⎭⎫⎝⎛=τ 结论：当N 值很大时，该模型趋于分布式rc 线;一条导线的延时是它长度L 的二次函数;分布rc 线的延时是按集总RC 模型预测的延时的一半.2rcL 22＝RC DN =τ例4.8 铝线的RC 延时.考虑长10cm 宽、1μm 的Al1导线,使用分布RC 模型，c = 110 aF/μm 和r = 0.075 Ω/μm t p = 0.38⨯RC = 0.38 ⨯ (0.075 Ω/μm) ⨯ (110 aF/μm)⨯ (105 μm)2= 31.4 ns Poly ：t p = 0.38 ⨯ (150 Ω/μm) ⨯ (88+2⨯54 aF/μm)⨯ (105 μm)2= 112 μsAl5： t p = 0.38 ⨯ (0.0375 Ω/μm) ⨯ (5.2+2⨯12aF/μm) ⨯ (105 μm)2= 4.2 ns 例4.9 RC 与集总C假设驱动门被模拟成一个电压源，它具有一定大小的电源内阻R s 。
应用Elmore 公式，总传播延时：τD = R s C w + (R w C w )/2 = R s C w + 0.5r w c w L 2 及 t p = 0.69 R s C w + 0.38 R w C w 其中，R w = r w L ，C w = c w L假设一个电源内阻为1k Ω的驱动器驱动一条1μm 宽的Al1导线，此时L crit 为2.67cm第五章CMOS 反相器 静态CMOS 的重要特性：电压摆幅等于电源电压 → 高噪声容限。
逻辑电平与器件的相对尺寸无关 → 晶体管可以采用最小尺寸 → 无比逻辑。
稳态时在输出和V dd 或GND 之间总存在一条具有有限电阻的通路 → 低输出阻抗 (k Ω) 。
输入阻抗较高 (MOS 管的栅实际上是一个完全的绝缘体) → 稳态输入电流几乎为0。
在稳态工作情况下电源线和地线之间没有直接的通路(即此时输入和输出保持不变) → 没有静态功率。
传播延时是晶体管负载电容和电阻的函数。
门的响应时间是由通过电阻R p 充电电容C L (电阻R n 放电电容C L )所需要的时间决定的 。
开关阈值V M 定义为V in = V out 的点(在此区域由于V DS = V GS ，PMOS 和NMOS 总是饱和的)r 是什么：开关阈值取决于比值r ，它是PMOS 和NMOS 管相对驱动强度的比DSATnn DSATp p DD M V k V k VV ＝，r r 1r +≈ 一般希望V M = V DD /2 (可以使高低噪声容限具有相近的值)，为此要求 r ≈ 1例5.1 CMOS 反相器的开关阈值 通用0.25μm CMOS 工艺实现的一个CMOS 反相器的开关阈值处于电源电压的中点处。
所用工艺参数见表3.2。
假设V DD = 2.5V ，最小尺寸器件的宽长比(W/L)n 为1.5()()()()()()()()V V L W V V V V k V V V V k L W L W M p DSATp Tp M DSATp p DSATn Tn M DSATn n n p 25.125.55.15.35.320.14.025.1263.043.025.10.163.01030101152266==⨯==----⨯-⨯⨯⨯----=－－－＝ 分析： V M 对于器件比值的变化相对来说是不敏感的。
将比值设为3、2.5和2，产生的V M 分别为1.22V 、1.18V 和 1.13V ，因此使PMOS 管的宽度小于完全对称所要求的值是可以接受的。
增加PMOS 或NMOS 宽度使V M 移向V DD 或GND 。
不对称的传输特性实际上在某些设计中是所希望的。
噪声容限：根据定义，V IH 和V IL 是dV out /dV in = -1(= 增益)时反相器的工作点 逐段线性近似V IH = V M - V M /g V IL = V M + (V DD - V M )/g 过渡区可以近似为一段直线，其增益等于在开关阈值V M 处的增益g 。