第六章 CMOS组合逻辑门的设计
静态互补cmos组合逻辑门的拓扑结构形式
静态互补cmos组合逻辑门的拓扑结构形式
静态互补CMOS组合逻辑门可以通过不同的拓扑结构实现。
以下是一些常见的拓扑结构形式：
1. 静态互补传输门（Static Complementary Pass Transistor Logic，SCPTL）：这种拓扑结构使用互补的传输门（传输门由PMOS 和NMOS组成）来实现逻辑功能。
一个输入信号直接驱动一
个传输门，另一个输入信号通过反向驱动另一个传输门。
输出信号由两个传输门的交集形成。
2. 静态互补非传输门（Static Complementary Nontransmission Logic，SCNTL）：这种拓扑结构使用互补逻辑门（由PMOS
和NMOS组成）来实现逻辑功能。
输入信号通过非门的输入
端进入，而非门的输出端通过和门和或门的组合得到最终输出。
3. 静态互补与非门（Static Complementary AND-NOR Logic，SCAN）：这种拓扑结构使用非门和与门来实现逻辑与和逻辑非。
输入信号先经过非门得到其反相信号，然后和与门的另一个输入信号进行与操作，得到最终输出。
4. 静态互补与或非门（Static Complementary AND-OR-NAND Logic，SAON）：这种拓扑结构使用与门、或门和非门来实
现逻辑与、逻辑或和逻辑非。
输入信号先与与门的一个输入进行与操作，然后和与门的另一个输入进行或操作，最终通过非门得到输出。
这些拓扑结构形式可以根据具体的逻辑功能需求进行选择和设计。
CMOS组合逻辑门的设计
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与门
电路结构
CMOS与门由两个或多个反相器串联而成，所有输入都为高 电平时，输出才为高电平。
工作原理
当所有输入都为高电平时，每个反相器都工作在PMOS管导 通、NMOS管截止的状态，输出为低电平；当任意一个输入 为低电平时，相应的反相器工作在PMOS管截止、NMOS管 导通的状态，输出为高电平。
或门
CMOS非门由一个反相器构成，输入与输出相反。
工作原理
当输入为高电平（V<sub>DD）时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出为低电平（V<sub>SS）； 当输入为低电平（V<sub>SS）时，PMOS管截止，NMOS管导通，输出为高电平（V<sub>DD>） 。
03
CMOS组合逻辑门的性能优化
向着更小的尺度发展，提高集成度和运算速 度。
与其他逻辑门电路不断融合，形成更加复杂 和高效的逻辑功能模块。
发展高速度、高效率、低功耗的CMOS组合 逻辑门是主要趋势。
广泛应用在通信、计算机、消费电子等领域 ，需求驱动发展。
未来研究方向
研究适用于超低功耗应用的 CMOS逻辑门电路。
在更小的特征尺寸下，如何提 高CMOS逻辑门的性能和稳定 性是需要解决的重大问题。
CMOS组合逻辑门可以用于嵌入式系统中的数据处理和控 制操作，提高系统的可靠性和稳定性。
计算机硬件系统
计算机硬件系统是指由各种电子元件、部件和软件组成的计算机结构，包括中央 处理器、内存、输入/输出接口等。
CMOS组合逻辑门可以用于计算机硬件系统中的信号传输和处理，保障系统的稳 定性和高效性。
电子课件电子技术基础第六版第六章门电路及组合逻辑电路可编辑全文
逻辑函数除可以用逻辑函数表达式（逻辑表达式）表示以 外，还可以用相应的真值表以及逻辑电路图来表示。真值表 与前述基本逻辑关系的真值表类似，就是将各个变量取真值 （0 和 1）的各种可能组合列写出来，得到对应逻辑函数的真 值（0 或 1）。逻辑电路图（逻辑图）是指由基本逻辑门或复 合逻辑门等逻辑符号及它们之间的连线构成的图形。
TTL 集成“与非”门的外形和引脚排列 a）外形 bOS 集成门电路以绝缘栅场效应管为基本元件组成， MOS 场效应管有 PMOS 和NMOS 两类。CMOS 集成门电路 是由 PMOS 和 NMOS 组 成的互补对称型逻辑门电路。它具 有集成度更高、功耗更低、抗干扰能力更强、扇出系数更大 等优点。
三、其他类型集成门电路
1. 集电极开路与非门（OC 门） 在这种类型的电路内部，输出三极管的集电极是开路的， 故称集电极开路与非门，也称集电极开路门，简称 OC 门。
OC 门 a）逻辑符号 b）外接上拉电阻
74LS01 是一种常用的 OC 门，其外形和引脚排列如图所 示。
74LS01 的外形和引脚排列 a）外形 b）引脚排列
2. 主要参数 TTL 集成“与非”门的主要参数反映了电路的工作速度、抗 干扰能力和驱动能力等。
TTL 集成“与非”门的主要参数
TTL 集成“与非”门具有广泛的用途，利用它可以组成很多 不同逻辑功能的电路，其外形和引脚排列如图所示。如 TTL“ 异或”门就是在 TTL“与非”门的基础上适当地改动和组合而成 的；此外，后面讨论的编码器、译码器、触发器、计数器等 逻辑电路也都可以由它来组成。
CMOS组合逻辑门的设计
CMOS组合逻辑门的设计CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种集成电路技术，由P型和N型MOS（金属氧化物半导体）组成。
CMOS技术被广泛应用于数字逻辑门的设计中。
本文将详细介绍CMOS组合逻辑门的设计过程。
组合逻辑门是一种不带有存储元件的数字电路，根据输入的状态产生相应的输出状态。
CMOS组合逻辑门由MOS场效应晶体管和电阻组成。
在CMOS技术中，MOS晶体管可以工作在两种模式下：通过模式和截止模式。
通过模式下的晶体管导通，截止模式下的晶体管断开。
CMOS逻辑门的设计过程通常包括以下步骤：1.需求分析：首先确定需要设计的逻辑门的功能和特性。
了解输入输出关系和逻辑表达式。
2.逻辑表达式转换：将逻辑表达式转换为布尔代数表达式。
根据布尔代数原理，使用布尔代数运算符对逻辑表达式进行化简和转化。
3.逻辑电路设计：根据逻辑表达式，使用MOS晶体管和电阻等元件设计逻辑电路。
4.原理图绘制：根据逻辑电路设计，使用电路设计软件绘制电路原理图。
将所需的逻辑门、晶体管和电阻等组件进行布局。
5.模拟仿真：使用电路设计软件进行模拟仿真，验证逻辑门的设计是否正确。
通过输入信号，验证输出信号是否符合逻辑表达式。
6.物理布局设计：根据电路原理图和仿真结果，进行逻辑门的物理布局设计。
确保信号传输的最佳路径和减小电路延迟。
7.版图布线：根据物理布局设计，进行电路的版图布线。
将各个组件进行布线，保证信号传输的稳定性和最短路径。
8.工艺制造：根据版图布线，转化为切割、离子注入或敏感处理等工艺制造步骤。
生产出需要的CMOS逻辑门。
CMOS技术在逻辑门设计中具有许多优点，如低功耗、高集成度、高噪声抑制能力等。
CMOS逻辑门由于其优势得到了广泛应用，如在微处理器、数字信号处理器和存储器中。
总之，CMOS组合逻辑门的设计过程包括需求分析、逻辑表达式转换、逻辑电路设计、原理图绘制、模拟仿真、物理布局设计、版图布线和工艺制造等步骤。
CMOS技术在逻辑门设计中具有优越性能，得到了广泛应用。
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.
【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。
《半导体集成电路》考试题目及参考标准答案
《半导体集成电路》考试题⽬及参考标准答案第⼀部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英⽂缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？5.什么是特征尺⼨？它对集成电路⼯艺有何影响？6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？第1章集成电路的基本制造⼯艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作⽤？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述⼀下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？5.以p阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些不⾜？6.以N阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进⽅法。
7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输⼊输出端⼦。
第2章集成电路中的晶体管及其寄⽣效应1.简述集成双极晶体管的有源寄⽣效应在其各⼯作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的⽆源寄⽣效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄⽣效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的⽅法？6.如何解决MOS器件的场区寄⽣MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄⽣双极晶体管效应？第3章集成电路中的⽆源元件1.双极性集成电路中最常⽤的电阻器和MOS集成电路中常⽤的电阻都有哪些？2.集成电路中常⽤的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的⼯艺中要⽤铜布线取代铝布线。
5. 运⽤基区扩散电阻，设计⼀个⽅块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输⼊短路电流输⼊漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL 与⾮门（稳态时）各管的⼯作状态？3. 在四管标准与⾮门中，那个管⼦会对瞬态特性影响最⼤，并分析原因以及带来那些困难。
实验2-CMOS组合逻辑电路设计
数字集成电路-实验2：VTC仿真
反相器:r=3
nand2
Ln=Lp /um
Wn /um
Wp /um
Ln=Lp /um
Wn /um
Wp A=B= /um 0->1
0.8
1*L
0.8
1
2*L
1
1.5
3*L
1.5
2
4*L
2
2.5
5*L
2.5
Vth
A=1, B=0->1
B=1, A=0->1
2பைடு நூலகம்
nand2 输入数据模式与延时之间的关系
数字集成电路-实验2：延时仿真
Ln=Lp /um 0.8
1 1.5 2 2.5
tpHL(ps)
Wn A=B=0- A=1,
/um
>1
B=0->1
1*L
B=1, A=0->1
2*L
3*L
4*L
5*L
A=B=1>0
tpLH (ps)
A=1, B=1->0
B=1, A=0->1
3
组合逻辑传输链的最小延时和尺寸优化
3、根据负载电容和第2级第3级门的特性，设 计X和Y的值，让整个组合逻辑链的延时最小。
已知：第一级反相器尺寸为：
WP/LP=？/？; WN/LN=？/？；
r=3
Vin(V) 2.5
cgn (fF) cgp (fF) C1(fF)
第1级inv的输入电容C1:
C1 (1 r) 1 Cgn 4Cgn
tpLH (ps)
1
1
第2级单个nand2的输入电容C2:
第3级单个nor2的输入电容C3:
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设计
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1
Combinational Circuits
组合电路与时序电路
Combinational
In
Out Combinational
In
Logic
Out
Logic
Hale Waihona Puke CircuitCircuit
State
组合电路
两个版本的 C • (A + B)
A VDD
C
B
X
GND
A
B
C
VDD
X
GND
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20
Combinational Circuits
棍棒图
A
j
C
B
逻辑路径
X
PUN
C
X = C • (A + B) C
i
A
B
A B C
X
i
VDD
B jA
GND
PDN
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21
Combinational Circuits
S
VGS
S
D
0 VDD - VTn CL
VDD |VTp| CL
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5
Combinational Circuits
NMOS 管串联/并联连接
一个晶体管可以看成是一个由栅信号空置的开关。当控制信号为高 时NMOS开关闭合，当控制信号为低时则断开。
AB
X
Y
A
Y = X if A and B
X
B
Y
Y = X if A OR B
NMOS 管产生 “强” 0 和 “弱” 1
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6
Combinational Circuits
PMOS管串联/并联连接
PMOS 管像一个反开关，当控制信号为低时闭合，当 控制信号为高时断开。
动态电路则依赖于把信号值暂时存放在 高阻抗电路结点的电容上。
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3
Combinational Circuits
静态互补 CMOS
VDD
In1
In2
PUN
InN
In1
In2
PDN
InN
PMOS only F(In1,In2,…InN)
8
Combinational Circuits
例: NAND
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9
Combinational Circuits
例: NOR
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10
Combinational Circuits
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13
Combinational Circuits
标准单元版图策略 – 1980s
布线通道 VDD
信号
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GND
14
Combinational Circuits
(b) 下拉网络中子网识别
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VDD
VDD
C A
B
D F
A D
BC
(c) 互补逻辑门
12
Combinational Circuits
单元设计
标准单元
通用逻辑 能够被综合 相同的高度, 可变的宽度
数据通道单元
确定的结构 (算术运算单元) 包含一些连线 确定的高度和宽度
标准单元版图策略 – 1990s
镜像单元
无布线通道
VDD
VDD
M2
M3
镜像单元 © DEEig1it4a1l Integrated Circuits2nd
GND
GND
15
Combinational Circuits
标准单元
N阱
VDD
Out In
单元边界
GND
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16
Combinational Circuits
标准单元
VDD
2输入NAND门
VDD
A
B
Out
GND
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B
A
17
Combinational Circuits
棍棒图
无尺寸约束 仅表示晶体管的相对位置
VDD
反相器
GND
Out In
复杂CMOS 门
B
A C
D
OUT = D + A • (B + C) A D
B
C
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Combinational Circuits
如何构成一个复杂CMOS 门
A D
BC
(a) 下拉网络
F SN1
F
A
D
BC
SN4 SN2 SN3
NMOS only
PUN （上拉网络）和PDN（下拉网络）组成互补逻辑
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4
Combinational Circuits
阈值对开关的影响
PUN
PDN VDD
VDD
S
D
0 VDD
CL
VDD 0
D
CL
S
VDD VGS
VDD
D
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VDD
NAND2
Out
GND
AB
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Combinational Circuits
棍棒图
A
j
C
B
X = C • (A + B) C
i
A
B
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A B C
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Combinational Circuits
时序电路
Output = f(In)
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Output = f(In, Previous In)
2
Combinational Circuits
静态 CMOS 设计
在静态电路中，每一时刻每个门的输出 通过一个低阻路径连到电源或地上。同时在 任何时候该门的输出即为该电路实现的布尔 函数值（忽略在切换期间的瞬态效应）。
AB
X A
Y Y = X if A AND B = A + B
X
B Y
Y = X if A OR B = AB
PMOS 管产生 “强” 1和 “弱” 0
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7
Combinational Circuits
互补CMOS 逻辑
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