四位串行进位加法器设计教学文稿
EDA课程设计报告--四位加法器设计
《EDA》课程设计题目：四位加法器设计学号： 200906024245姓名：梁晓群班级：机自094指导老师：韩晓燕2011年12月28日—2011年12月30日目录摘要----------------------------------3EDA简介---------------------------3概述----------------------------------4 1.1目的与要求-------------------4 1.2实验前预习-------------------41.3设计环境----------------------5四位全加器的设计过程----------52.1 半加器的设计-----------------62.2一位全加器的设计-----------92.3四位全加器的设计----------11收获与心得体会----------------13摘要本文主要介绍了关于EDA技术的基本概念及应用，EDA设计使用的软件Quartus7.2的基本操作及使用方法，以及半加器、1位全加器和四位全加器的设计及仿真过程。
EDA简介EDA的概念EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作.EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。
EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件，这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。
基于FPGA的4位全加器实验
试验一 4位全加器实验1．实验原理．实验原理全加器能进行加数、被加数和低位来的进位信号相加，并根据求和结果给出该位的进位信号。
该位的进位信号。
全加器的真值表如表1所示。
所示。
表1 全加器真值表全加器真值表输入输入输出输出AiBi Ci-1 Si Ci0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 111114位全加器可以采用四个1位全加器级连成并行相加串行进位的加法器，位全加器级连成并行相加串行进位的加法器，实实现框图如图1所示，其中CSA 为1位全加器。
由图可以看出，每1位的进位信号送给下1位作为输入信号，因此，任1位的加法运算必须在低1位的运算完成之后才能进行，因此它的延迟非常可观，高速运算肯定无法胜任。
之后才能进行，因此它的延迟非常可观，高速运算肯定无法胜任。
图1 4位串行进位加法器实现框图位串行进位加法器实现框图在图1中，A 和B 为加法器的输入位串，对于四位全加器则位宽为4位，D 为加法器输出位串，和输入位串相同，C 为进位输入( Ci ) 或输出或输出( Co )。
实现代码为：实现代码为：module adder4(cout,sum,ina,inb,cin); output[3:0] sum; output cout;input[3:0] ina,inb; input cin;assign {cout,sum}=ina+inb+cin; endmodule2．实验目的．实验目的⒈熟悉⒈熟悉 ISE9.1 开发环境，掌握工程的生成方法；开发环境，掌握工程的生成方法； ⒉了解⒉了解 V erilog HDL 语言在语言在 FPGA 中的使用；中的使用； ⒊了解4位全加器的V erilog HDL 语言实现。
语言实现。
3．实验内容．实验内容⒈用V erilog HDL 语言设计4位全加器，进行功能仿真验证。
4bits超前进位加法器全定制设计实验报告
TPLH
Propagation Delay Time
A1~A4，B1~B4到C4
3
ns
TPHL
3
tT
2.5
tP
2.5
Av Power
4
Layout Area
150*180
2.5真值表
2.6逻辑图
工艺的主要参数（smic18工艺）
参数
参数定义
PMOS数值
NMOS数值
U0
迁移率
8.661m
34m
Vth
-0.4
mA
IOL
Low Level OutputVoltage
8
mA
2.3直流特性
Symbol
Parameter
Test Condition
Value
Units
TA=25°C
Min
Typ
Max
VOH
High Level OutputVoltage
VCC=Min，IOH=Max
VIL=Max，VIH=Min
mA
C0
-0.4
II
InputCurrent @ Max Input Voltage
VCC=Max
VI=7.2V
A,B
0.2
mA
C0
0.1
ICC
Supply Current
VCC=Maxl
Parameter
From (Input )to (Ouput)
Test Condition
(2)点选LM视窗上面的工具列File→New→Library；
(3)会产生New Library画面；
(4)在框内填入库名；
四位串行进位加法器设计教学文稿
四位串行进位加法器设计集成电路CAD课程设计报告四位串行加法器设计1串行进位加法器简介1.1加法器实现多为二进制数相加的电路，称为加法器。
根据进位方式不同，有串行进位加法器和超前进位加法器之分。
采用串行进位方式，优点是电路简单，连接方便；缺点是运算速度不高。
原理：把四个全加器（例如两片74LS183）依次级联起来，便可构成四位串行进位加法器。
因此四位串行进位加法器的设计可以分以下两步进行：（1）全加器设计；（2）将全加器级联，构成四位串行进位加法器（a）（b）图（1）四位串行加法器74831.2 图2为四位串行加法器7483逻辑图图（2）四位串行加法器2 四位串行进位加法器的设计实现：2.1 输出级电路设计与TTL电路兼容驱动10个TTL①输出高电平时｜IoH｜<=20ｕＡ VoHmin=4.4V②输出低点平时｜IoH｜<=20mＡ VoHmax=0.4V③输出级充放电时间tr=tf计算电路如图3所示①以15个PF 的电容负载代替10个TTL 电路来计算tr 、tf ②输入V 为的前一级的输出被认为是理想的输出，即：ViL=Vss,ViH=Vdd③计算电流时，负载为电流负载，有拉电流的灌电流。
图3（1）CMOS N 管（W/L ）N 的计算：当输入为高电平时（Vi=Vdd ）,N 管导通后级TTL 电路有较大的灌电流输入，此时（表示成对称形式）使方括号中的值和栅电容Cox 及电子迁移率un 为最小值:o u t00f f[]200200)()(2V V V V V V C L W I tn i s tn ox N n dsn -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax0m in 2ox SiO ox t C εε=(2) CMOS P 管（W/P ）p 的计算｜IoH ｜<=20ｕＡ时有 VoHmin=4.4Vtr=tf① 以Ioh<=20ｕＡ时VoHmin=4.4V 的条件计算最坏的情况下Vdd=4.5V,Vohmin=4.4v,Vtp=0.8V,230m ax 0m in -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n n μμ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164m in n L W []202)()(2oh tp i dd tp i ox p p oh V V V V V V C L W I -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax 0m in 2ox SiO ox t C εε=230m ax 0m in -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n p μμ经计算可得②tr=tp 的条件计算：CMOS 中αp=αn所以 ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛21532227.7pL W dd tp p V V =αddtn n V V =αdd p L p V k C =τ()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+--=p n n n n f arth t αααατ111.011)1.0(2p p n n p n n p f r L W L W k k t tμμττ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164minn L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛275931138minn L W2.2 输入级设计输入电平Vih 可能为2.4V（1）拉管P2为了节省面积，同时又能使Vih 较快上升，取图4(2)CMOS 反向器的P1管此P1管应取内部基本反向器的尺寸∆===⎪⎭ ⎝236.164minn L ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312p L W∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546内p L W（3）CMOS 反相器的N 管TTL 的输出电平在0.4-2.4之间V1*=ViLmax+Vihmin=1.4V式中βk=kn/kp,Vdd=5V,Vtn=0.7V,Vi*=1.4V, βk=17.162.3 内部基本反相器中各MOS 管尺寸的计算 内部反相器的负载电容：①本级漏极的PN 结电容Cpn1K k V V k V p n TP DD p *I+++=+++=R TP DD TN R TN N V V V V k ββ）（∆∆=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛2230W n p R plnl L L W μμβ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛22303345nl L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546plL W ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312p L W②下级的栅电容Cc1③连线杂散电容CsCpn+Cc1=10CsCs :铝线宽5um,长100um ，在场区上面，此铝线的电容为Cpn 和Cl ：N 管 其衬底是P 型，所以 NB=2⨯1016 cm-3设结深Xi=0.5um R □=20Ω/□对于P 管Cpn= )(10726.1100.19.31085.8101005C 14482014F t A s oxF SiO Al ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-εεϕεε2021021C C p jn n jp Si qN C jpn ===++2l n iB n N N q k T =ϕ318õ10862.7R 1N -⨯==cm x q j μ28/10195.2cm F C p jN -+⨯=28/101396.1cm F C N jP -+⨯=Cp n Cn p+++而CC1可以由：Cc1=10Cs-Cpn求出。
四位串行进位加法器设计
集成电路CAD课程设计报告四位串行加法器设计1串行进位加法器简介1.1加法器实现多为二进制数相加的电路，称为加法器。
根据进位方式不同，有串行进位加法器和超前进位加法器之分。
采用串行进位方式，优点是电路简单，连接方便；缺点是运算速度不高。
原理：把四个全加器（例如两片74LS183）依次级联起来，便可构成四位串行进位加法器。
因此四位串行进位加法器的设计可以分以下两步进行：（1）全加器设计；（2）将全加器级联，构成四位串行进位加法器（a）（b）图（1）四位串行加法器74831.2 图2为四位串行加法器7483逻辑图图（2）四位串行加法器2 四位串行进位加法器的设计实现：2.1 输出级电路设计与TTL电路兼容驱动10个TTL①输出高电平时｜IoH｜<=20ｕＡV oHmin=4.4V②输出低点平时｜IoH｜<=20mＡV oHmax=0.4V③输出级充放电时间tr=tf计算电路如图3所示①以15个PF的电容负载代替10个TTL电路来计算tr、tf②输入V为的前一级的输出被认为是理想的输出，即：ViL=Vss,ViH=Vdd③计算电流时，负载为电流负载，有拉电流的灌电流。
图3（1）CMOS N 管（W/L ）N 的计算：当输入为高电平时（Vi=Vdd ）,N 管导通后级TTL 电路有较大的灌电流输入，此时（表示成对称形式）使方括号中的值和栅电容Cox 及电子迁移率un 为最小值:o u t00f f[]200200)()(2V V V V V V C L W I tn i s tn oxN ndsn -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax0m in 2ox SiOox t C εε=230m ax0m in-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=TT n n μμ(2) CMOS P 管（W/P ）p 的计算｜IoH ｜<=20ｕＡ时有 V oHmin=4.4V tr=tf① 以Ioh<=20ｕＡ时V oHmin=4.4V 的条件计算最坏的情况下Vdd=4.5V ,V ohmin=4.4v,Vtp=0.8V ,经计算可得∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛233034956.164m inn L W []202)()(2oh tp i dd tp i oxp p ohV V V V V V C L W I -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax0m in 2ox SiOox t C εε=230m ax 0m in-⎪⎪⎭⎫⎝⎛=T T n p μμ∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛21532227.7pL W②tr=tp 的条件计算：CMOS 中αp=αn所以2.2 输入级设计ddtp p V V =αddtn n V V =αddp L p V k C =τ()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+--=p n n n n f arth t αααατ111.011)1.0(2p pn n pn n p f r LW L W k k t t μμττ⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛233034956.164minn L W ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛275931138minn L W ∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛233034956.164minn L W输入电平Vih 可能为2.4V（1）拉管P2为了节省面积，同时又能使Vih 较快上升，取图4(2)CMOS 反向器的P1管此P1管应取内部基本反向器的尺寸（3）CMOS 反相器的N 管TTL 的输出电平在0.4-2.4之间 V1*=ViLmax+Vihmin=1.4V∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛223312p L W∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546内p L W式中βk=kn/kp,Vdd=5V ,Vtn=0.7V ,Vi*=1.4V , βk=17.162.3 内部基本反相器中各MOS 管尺寸的计算内部反相器的负载电容： ①本级漏极的PN 结电容Cpn ②下级的栅电容Cc1 ③连线杂散电容Cs Cpn+Cc1=10CsCs :铝线宽5um,长100um ，在场区上面，此铝线的电容为1K k V V k V p n TP DD p *I+++=+++=R TP DD TN R TN N V V V V k ββ）（∆∆=⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛2230W np R pl nl L L W μμβ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛22303345nlL W ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛231.546plL W ∆∆===⎪⎭⎫⎝⎛223312p L WCpn 和Cl ：N 管 其衬底是P 型，所以 NB=2⨯1016 cm-3 设结深Xi=0.5um R □=20Ω/□对于P 管Cpn=而CC1可以由：Cc1=10Cs-Cpn 求出。
四位加法器
四位加法器一、实验要求掌握组合逻辑电路的基本分析和设计方法；理解半加器和全加器的工作原理，用硬件描述语言实现半加器和全加器的门级设计，并使用自己设计的半加器组件构建全加器；学会利用软件仿真和远程实验系统实现对数字电路的逻辑功能进行验证和分析。
二、实验原理半加器（Half Adder）是不考虑来自低位的进位信号，其输入为 1 bit 的被加数和加数，输出为两位：本位的和以及向高一位的进位。
考虑低位进位的1位二进制加法器称为全加器（Full Adder），其输入为被加数加数以及低一位来的进位，输出为本位的和及向高一位的进位。
一位全加器可以由两个半加器及一个或门连接而成，半加器和全加器逻辑结构分别如图所示。
利用全加器级联可以构成多位二进制加法器，下图所示为四位二进制加法电路，低一位的进位输出作为高一位的进位输入。
这种结构称为逐次进位加法器（Ripple Adder）。
由于逐次进位加法器的进位信号是在各级间逐级传递的，所以高位的输出必须等低位的进位输入稳定后才有效，这就使得逐次进位加法器的延时比较大，速度比较慢。
为了提高加法器的运算速度，需要对加法器的结构进行改进。
引入进位传递信号和进位产生信号的概念，有{P n=A n⊕B n G n=A n B n利用这两个信号，可以把和信号与进位输出信号表示为{S n=P n⊕C n−1 C n=P n C n−1+G n根据上面给出的进位输出表达式，可得C0=G0+ P0C−1C1=G1+ P1C0=G1+ P1G0+P1P0C−1C2=G2+ P2C1=G2+ P2G1+P2P1G0+ P2P1P0C−1C3=G3+ P3C2=G3+ P3G2+P3P2G1+ P3P2P1G0+ P3P2P1P0C−1由于各级的进位传递信号和进位产生信号是同时生成的，所以各级的进位输出信号不再需要等待低一位的进位输入信号，从而大大减小了整个电路的延时，提高的加法器的运算速度。
四位超前进位加法器
1.课程设计名称四位超前进位加法器2.课程设计内容设计一个四位加法器，要求要有超前进位，减小输出的延迟，采用0.13um工艺设计。
3.课程设计目的训练学生综合运用学过的数字集成电路的基本知识，独立设计相对复杂的数字集成电路的能力。
4.课程设计要求4.1、按设计指导书中要求的格式书写，所有的内容一律打印；4.2、报告内容包括设计过程、仿真的HSPICE网表，软件仿真的结果及分析、延时的手工计算；4.3、要有整体电路原理图，仿真的波形图；4.4、软件仿真必须要有必要的说明；要给出各个输入信号的具体波形和输出信号的测试结果。
4.5、写出对应的HSPICE设计网表，网表仿真结果符合设计要求。
把仿真图形附在报告上。
4.6、设输入端的电容为C，输出端的负载电容为5000C inv，从输入到输出任意找一通inv路，优化通路延时，手工计算确定通路中每个门对应的晶体管的尺寸。
每组三个同学选择不能为同一通路。
此部分的计算参数可采用书中第六章的参数。
4.7、各种器件的具体结构可参考阎石的《数字电子技术基础》一书。
不允许有完全一样的报告，对于报告完全相同者，记为不及格。
5.使用软件软件为HSPICE和COSMOS-SCOPE。
6.课程设计原理由全加器的真值表可得S i和C i的逻辑表达式：定义两个中间变量G i和P i：当A i＝B i＝1时，G i＝1，由C i的表达式可得C i＝1，即产生进位，所以G i 称为产生量变。
若P i＝1，则A i·B i＝0，C i＝C i-1，即P i＝1时，低位的进位能传送到高位的进位输出端，故P i称为传输变量，这两个变量都与进位信号无关。
将G i和P i代入S i和C i得：进而可得各位进位信号的逻辑表达如下：根据逻辑表达式做出电路图（如图）：逻辑功能图中有2输入异或门，2输入与门，3输入与门，4输入与门，2输入或门，3输入或门，4输入或门，其转化成CMOS晶体管图如下：7.课程设计网表*xor 2.subckt xor2 a b c d fmxorpa 1 a vdd vdd pmos l=2 w=8 mxorpb f d 1 vdd pmos l=2 w=8 mxorpc 2 b vdd vdd pmos l=2 w=8 mxorpd f c 2 vdd pmos l=2 w=8 mxorna f a 3 0 nmos l=2 w=4 mxornb 3 b 0 0 nmos l=2 w=4 mxornc f c 4 0 nmos l=2 w=4 mxornd 4 d 0 0 nmos l=2 w=4.ends xor2*and2.subckt and2 a b fmandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4mandna f a 1 0 nmos l=2 w=4 mandnb 1 b 0 0 nmos l=2 w=4.ends and2*and3.subckt and3 a b c fmandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpc f c vdd vdd pmos l=2 w=4 mandna f a 1 0 nmos l=2 w=6 mandnb 1 b 2 0 nmos l=2 w=6 mandnc 2 c 0 0 nmos l=2 w=6.ends and3*and4.subckt and4 a b c d fmandpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpb f b vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpc f c vdd vdd pmos l=2 w=4 mandpd f d vdd vdd pmos l=2 w=4 mandna f a 1 0 nmos l=2 w=8 mandnb 1 b 2 0 nmos l=2 w=8 mandnc 2 c 3 0 nmos l=2 w=8 mandnd 3 d 0 0 nmos l=2 w=8.ends and4*or2.subckt or2 a b fmorpa 1 a vdd vdd pmos l=2 w=8 morpb f b 1 vdd pmos l=2 w=8 mna f a 0 0 nmos l=2 w=4mnb f b 0 0 nmos l=2 w=4.ends or2*or3.subckt or3 a b c fmorpa 1 a vdd vdd pmos l=2 w=12 morpb 2 b 1 vdd pmos l=2 w=12 morpc f c 2 vdd pmos l=2 w=12 mna f a 0 0 nmos l=2 w=4mnb f b 0 0 nmos l=2 w=4mnc f c 0 0 nmos l=2 w=4.ends or3*or4.subckt or4 a b c d fmorpa 1 a vdd vdd pmos l=2 w=16morpb 2 b 1 vdd pmos l=2 w=16morpc 3 c 2 vdd pmos l=2 w=16morpd f d 3 vdd pmos l=2 w=16mna f a 0 0 nmos l=2 w=4mnb f b 0 0 nmos l=2 w=4mnc f c 0 0 nmos l=2 w=4mnd f d 0 0 nmos l=2 w=4.ends or4*not.subckt not a fmnotpa f a vdd vdd pmos l=2 w=4 mnotna f a 0 0 nmos l=2 w=2.ends not *反相器*or21.subckt or21 a b fxor2 a b 1 or2xnot 1 f not.ends or21 *2输入或门*or31.subckt or31 a b c fxor3 a b c 1 or3xnot 1 f not.ends or31 *3输入或门*or41.subckt or41 a b c d fxor4 a b c d 1 or4xnot 1 f not.ends or41 *4输入或门*xor21.subckt xor21 a b fxm a A5 notxn b B5 notxxor a b A5 B5 f xor2.ends xor21 * 2输入异或门*and21.subckt and21 a b fxand2 a b 1 and2xnot 1 f not.ends and21 *2输入与门*and31.subckt and31 a b c fxand3 a b c 1 and3xnot 1 f not.ends and31 *3输入与门*and41.subckt and41 a b c d fxand4 a b c d 1 and4xnot 1 f not.ends and41 *4输入与门xxor211 a1 b1 p1 xor21xxor212 a2 b2 p2 xor21xxor213 a3 b3 p3 xor21xxor214 a4 b4 p4 xor21xand211 a1 b1 g1 and21xand212 a2 b2 g2 and21xand213 a3 b3 g3 and21xand214 p1 c0 m0 and21xor211 m0 g1 c1 or21 *进位C1xand311 p2 p1 c0 m1 and31xand215 p2 g1 m2 and21xor312 g2 m1 m2 c2 or31 *进位C2 xand411 p3 p2 p1 c0 m3 and41xand313 p3 p2 g1 m4 and31xand216 p3 g2 m5 and21xor412 m3 m4 m5 g3 c3 or41 *进位C3 xxor215 p1 c0 s1 xor21 *输出s1xxor216 p2 c1 s2 xor21 *输出s2xxor217 p3 c2 s3 xor21 *输出s3xxor218 p4 c3 s4 xor21 *输出s4.include "c:\lib\130nm_bulk.l"tt.opt scale=0.05u.global vdd gndvdd vdd 0 1.2va1 a1 0 pulse 1.2 1.2 20n 1f 1f 30n 100nva2 a2 0 pulse 0 0 20n 1f 1f 30n 100nva3 a3 0 pulse 0 0 20n 1f 1f 30n 100nva4 a4 0 pulse 0 0 20n 1f 1f 30n 100nvb1 b1 0 pulse 1.2 1.2 20n 1f 1f 30n 100n vb2 b2 0 pulse 1.2 1.2 20 1f 1f 30n 100nvb3 b3 0 pulse 0 0 20n 1f 1f 30n 100nvb4 b4 0 pulse 1.2 1.2 20n 1f 1f 30n 100nvc0 c0 0 pulse 0 0 4n 1f 1f 0n 100n.tran 1n 100n.plot tran v(s1).plot tran v(s2).plot tran v(s3).plot tran v(s4).end8.结果及分析由波形可知:当输入a1=1，b1=1，前一级进位c0=0时，s1=a1+b1+c0=0，下一级进位c1=1.由波形可知:当输入a2=0，b2=1，前一级进位c1=1时，s2=a2+b2+c1=0，下一级进位c2=1.由波形可知:当输入a3=0，b3=0，前一级进位c2=1时，s3=a3+b3+c2=1，下一级进位c3=0.由波形可知:当输入a4=0，b4=1，前一级进位c3=0时，s4=a4+b4+c2=1。
数字集成电路课程设计报告-4bits超前进位加法器全定制设计
第1章概述1.1 课程设计目的•综合应用已掌握的知识•熟悉集成电路设计流程•熟悉集成电路设计主流工具•强化学生的实际动手能力•培养学生的工程意识和系统观念•培养学生的团队协作能力1.2 课程设计的主要内容1.2.1 设计题目4bits超前进位加法器全定制设计1.2.2 设计要求整个电路的延时小于2ns整个电路的总功耗小于20pw总电路的版图面积小于60*60um1.2.3 设计内容功能分析及逻辑分析估算功耗与延时电路模拟与仿真版图设计版图数据提交及考核，课程设计总结第2章功能分析及逻辑分析2.1 功能分析74283为4位超前进位加法器，不同于普通串行进位加法器由低到高逐级进位，超前进位加法器所有位数的进位大多数情况下同时产生，运算速度快，电路结构复杂。
其管脚如图2-1所示：图2-1 74283管脚图2.2推荐工作条件（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-1 SMIC 0.18工艺的工作条件2.3直流特性（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-2 SMIC 0.18直流特性2.4交流（开关）特性（根据SMIC 0.18工艺进行修改）表2-3SMIC 0.18工艺交流（开关）特性2.5真值表表2-4 4位超前进位加法器真值表2.6表达式定义两个中间变量Gi和Pi：所以：进而可得各位进位信号的罗辑表达如下2.7电路原理图超前进位加法器原理：对于一个N位的超前进位组，它的晶体管实现具有N+1个并行分支且最多有N+1个晶体管堆叠在一起。
由于门的分支和晶体管的堆叠较多使性能较差，所以超前进位计算在实际中至多智能限制于2或4位。
为了建立非常快速的加法器，需要把进位传播和进位产生组织成递推的树形结构，如图2-2所示。
一个比较有效的实现方法是把进位传播层次化地分解成N位的子组合：Co,0=GO+POCi,0Co,1=G1+P1G0+P1P0 Ci,0=( G1+P1G0)+(P1P0) Ci,0=G1:0+P1:0 Ci,0Co,2=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0Ci,0=G2+P2Co,1 2-1 Co,3=G3+P3 G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0Ci,0=(G3+P3G2)+(P3P2)Co,1=G3:2+P3:2Co,1 在公式2-1中，进位传播过程被分解成两位的子组合。
4位超前进位加法器
4位超前进位加法器详细设计姓名：魏可望（23）班级：微电子1102指导老师：杜慧敏日期：2014年4月29日1设计目标 (3)1.1功能定义 (3)1.2引脚描述 (3)1.2.1 4位超前进位加法器系统级信号 (3)1.2.2 4位超前进位加法器输入接口定义 (3)1.2.3 4位超前进位加法器的器输出接口定义 (3)2 模块设计 (3)3测试 (4)4设计开发环境 (4)5设计开发计划 (4)1设计目标1.1功能定义本文描述4位超前进位加法器的详细设计方案。
其功能是求出4位超前进位加法器功能，并在FPGA开发板上验证设计的正确性。
1.2引脚描述1.2.1 4位超前进位加法器单元系统级信号1.2.2 4位超前进位加法器输入接口定义1.2.3 4位超前进位加法器输出接口定义2 模块设计本设计按要求，用assign语句设计4位超前进位加法器。
3测试本单元电路控制逻辑采用systemverilog断言描述状态信息测试，数据通路部分用采用sysetemverilog随机验证的方法，并结合覆盖率检测，做到100%验证。
将本设计下载到Sparten 3E开发板上，将计数器的输出连接到LED灯上，以验证设计的正确性。
4设计开发环境语言级设计：Verilog综合工具：xilinx 14.7rFPGA设计和仿真工具：ISE13.2，synopsys VCS布局和布线工具：appllo ,模拟设计和仿真工具: modelsim寄生参数提取和仿真工具: star_sim RC5设计开发计划附录：4位超前进位加法器源代码：module add_ahead4(sum,cout,a,b,cin);input[3:0] a,b;input cin;output[3:0] sum;output cout;wire[3:0] G,P;wire[3:0] C,sum;assign G[0]=a[0]&b[0];assign P[0]=a[0]|b[o];assign C[0]=cin;assign sum[0]=G[0]^P[0]^C[0];assign G[1]=a[1]&b[1];assign P[1]=a[1]|b[1];assign C[1]=G[0]|(P[0]&cin); assign sum[1]=G[1]^P[1]^C[1]; assign G[2]=a[2]&b[2]; assign P[2]=a[2]|b[2];assign C[2]=G[1]|(P[1]&C[1]); ssign sum[2]=G[2]^P[2]^C[2]; assign G[3]=a[3]&b[3]; assign P[3]=a[3]|b[3];assign C[3]=G[2]|(P[2]&C[2]); assign sum[3]=G[3]^P[3]^C[3]; assign cout=G[3]|(P[3]&C[3]); endmodule。
Verilog实现的4位串行进位加法器精编版
Verilog实现的4位串行进位加法器精编版在数字电路中，加法器是最基本的电路之一、串行进位加法器是一种将两个二进制数相加的电路，通过逐位相加的方式实现。
本文将介绍如何使用Verilog语言实现一个4位串行进位加法器的精编版。
首先，我们需要定义输入和输出端口。
对于一个4位的串行进位加法器，我们需要4个输入端口A[3:0]和B[3:0]，以及一个输出端口Sum[3:0]。
另外，还需要一个输入端口CarryIn和一个输出端口CarryOut，用于传递进位信号。
```module SerialCarryAdderinput [3:0] A,input [3:0] B,input CarryIn,output [3:0] Sum,output CarryOut```接下来，我们可以定义内部信号。
对于一个4位的串行进位加法器，我们需要4个内部信号，分别代表每一位的进位信号。
```wire C0, C1, C2, C3;```然后，我们可以开始实现每一位的加法逻辑。
首先，我们定义一个内部信号XOROut，用于存储每一位的异或结果。
然后，我们使用XOR门实现异或逻辑。
```wire XOROut;assign XOROut = A[0] ^ B[0];```接下来，我们定义一个内部信号ANDOut，用于存储每一位的与结果。
然后，我们使用AND门实现与逻辑。
```wire ANDOut;assign ANDOut = A[0] & B[0];```然后，我们定义一个内部信号Sum0，用于存储第一位的和结果。
然后，我们使用XOR门实现异或逻辑。
```wire Sum0;assign Sum0 = XOROut ^ CarryIn;```然后，我们定义一个内部信号Carry0，用于存储第一位的进位结果。
然后，我们使用OR门实现或逻辑。
```wire Carry0;assign Carry0 = ANDOut ， (XOROut & CarryIn);```接下来，我们可以依次实现剩余3位的加法逻辑。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四位串行进位加法器设计集成电路CAD课程设计报告四位串行加法器设计1串行进位加法器简介1.1加法器实现多为二进制数相加的电路，称为加法器。
根据进位方式不同，有串行进位加法器和超前进位加法器之分。
采用串行进位方式，优点是电路简单，连接方便；缺点是运算速度不高。
原理：把四个全加器（例如两片74LS183）依次级联起来，便可构成四位串行进位加法器。
因此四位串行进位加法器的设计可以分以下两步进行：（1）全加器设计；（2）将全加器级联，构成四位串行进位加法器（a）（b）图（1）四位串行加法器74831.2 图2为四位串行加法器7483逻辑图图（2）四位串行加法器2 四位串行进位加法器的设计实现：2.1 输出级电路设计与TTL电路兼容驱动10个TTL①输出高电平时｜IoH｜<=20ｕＡ VoHmin=4.4V②输出低点平时｜IoH｜<=20mＡ VoHmax=0.4V③输出级充放电时间tr=tf计算电路如图3所示①以15个PF 的电容负载代替10个TTL 电路来计算tr 、tf ②输入V 为的前一级的输出被认为是理想的输出，即：ViL=Vss,ViH=Vdd③计算电流时，负载为电流负载，有拉电流的灌电流。
图3（1）CMOS N 管（W/L ）N 的计算：当输入为高电平时（Vi=Vdd ）,N 管导通后级TTL 电路有较大的灌电流输入，此时（表示成对称形式）使方括号中的值和栅电容Cox 及电子迁移率un 为最小值:o u t00f f[]200200)()(2V V V V V V C L W I tn i s tn ox N n dsn -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax0m in 2ox SiO ox t C εε=(2) CMOS P 管（W/P ）p 的计算｜IoH ｜<=20ｕＡ时有 VoHmin=4.4Vtr=tf① 以Ioh<=20ｕＡ时VoHmin=4.4V 的条件计算最坏的情况下Vdd=4.5V,Vohmin=4.4v,Vtp=0.8V,230m ax 0m in -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n n μμ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164m in n L W []202)()(2oh tp i dd tp i ox p p oh V V V V V V C L W I -----⎪⎭⎫ ⎝⎛=μm ax 0m in 2ox SiO ox t C εε=230m ax 0m in -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=T T n p μμ经计算可得②tr=tp 的条件计算：CMOS 中αp=αn所以 ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛21532227.7pL W dd tp p V V =αddtn n V V =αdd p L p V k C =τ()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+--=p n n n n f arth t αααατ111.011)1.0(2p p n n p n n p f r L W L W k k t tμμττ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛233034956.164minn L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛275931138minn L W2.2 输入级设计输入电平Vih 可能为2.4V（1）拉管P2为了节省面积，同时又能使Vih 较快上升，取图4(2)CMOS 反向器的P1管此P1管应取内部基本反向器的尺寸∆===⎪⎭ ⎝236.164minn L ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312p L W∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546内p L W（3）CMOS 反相器的N 管TTL 的输出电平在0.4-2.4之间V1*=ViLmax+Vihmin=1.4V式中βk=kn/kp,Vdd=5V,Vtn=0.7V,Vi*=1.4V, βk=17.162.3 内部基本反相器中各MOS 管尺寸的计算 内部反相器的负载电容：①本级漏极的PN 结电容Cpn1K k V V k V p n TP DD p *I+++=+++=R TP DD TN R TN N V V V V k ββ）（∆∆=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛2230W n p R plnl L L W μμβ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛22303345nl L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛231.546plL W ∆∆===⎪⎭⎫ ⎝⎛223312p L W②下级的栅电容Cc1③连线杂散电容CsCpn+Cc1=10CsCs :铝线宽5um,长100um ，在场区上面，此铝线的电容为Cpn 和Cl ：N 管 其衬底是P 型，所以 NB=2⨯1016 cm-3设结深Xi=0.5um R □=20Ω/□对于P 管Cpn= )(10726.1100.19.31085.8101005C 14482014F t A s oxF SiO Al ---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-εεϕεε2021021C C p jn n jp Si qN C jpn ===++2l n iB n N N q k T =ϕ318õ10862.7R 1N -⨯==cm x q j μ28/10195.2cm F C p jN -+⨯=28/101396.1cm F C N jP -+⨯=Cp n Cn p+++而CC1可以由：Cc1=10Cs-Cpn求出。
下面具体计算N管和P管的尺寸。
N管单位尺寸电阻为，总电阻为，P管单位尺寸电阻为，总电阻为。
总电容C=Cpn+Cc1+Cs=Cpn+Cc1Cc1=(Wn+Wp)LCox=10Cs-aWnCpnaWn图 5a 为有源区宽度，因为最小孔为3A*3△，孔与等晶栅的间距为2△，孔与有源区边界的间距为1△（1△=1.5um ）， 所以a=6△=9um上升时间：tr= 下降时间：tf= Wp=kWn2.4 内部逻辑门设计N 管放大三倍()L RpC rp Wn Wp LCoxWp=+()L RnC rn Wn Wp LCoxWn=+k r r W Wp nn pnp ===μμ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛23135.46p L W ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛214321n L W ∆∆==⎪⎭⎫ ⎝⎛242363n L W ∆∆==⎪⎭⎫⎝⎛23135.46pL W图62.5 缓冲级的设计（1）输入缓冲级A T 1M1M2M3图7 输入级缓冲器M1为输入级，M2为内部门，M3为缓冲器 三输入与非门尺寸：M3负载的栅面积：M2负载的栅面积：图8扇出系数N=N=加入一级缓冲后，管子逐级放大的尺寸为单，内N n L W L W ⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛3'单，内P '⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛L W L W p ()LW W S P N ''+=单单N k ⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛L W L W P ()LW W S P N 内内+=2N P 530k 230μμ==下级栅的面积前级等效反相器栅的面积[4*Wn Wp L][4*(3Wn Wp )]6.4889[Wn Wp L]Wn +Wp +==+（+）单单（内内）（单单）M3管子尺寸为=36△/2△=79/2△内部反相器的尺寸为n2=21/3=14△/2△p2=46.5/3=31△/2△ (2)输出缓冲级 缓冲级M1的计算：图9由 及N 的值可得W Wn3n L L（）=()W W p3p L L（）=(W L（）W L（）M0 M1 M2()()2.2402=++=LW W L W W N M P N M P N N 1内⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛L W L W M 内⎪⎭⎫ ⎝⎛L W∆∆=⎪⎭⎫⎝⎛2691n L W2.6 输入保护电路的设计二极管的有效面积取500μm2图 10工程估算从输入到输出的所有各支路中,只有C3端加入了缓冲级因而增加了延时与功耗,因此估算考虑最坏的情况 （1）模型简化四个三输入与非门中只有一个可被选通并工作,而另三个不工作,所以在C3端经三级反相器后,将不工作的三输入与非门等效为负载电容CL1,与非门的两个输入接高电平,只将C3端信号加在∆∆=⎪⎭⎫⎝⎛21531P L W 方方数方1030300R R Si-Poly ===反相器上,因此计算X 点之后的部分.X 点以前的部分CS 这一条之路,最后将结果乘以3倍就可以了.图 11图 12（2）功耗计算静态功耗.瞬态功耗,交变功耗,只考虑瞬态功耗 PT=CL 总fC(VOH -VOL)VDD C L 总4路三输入与非门的栅作为前级负载,C OX 考虑最坏情况,故取（3）延迟估算定义每级反相器，充电时间常数为LPN L C C C ∑+∑+∑=1)(21.6)(.1栅电容PF LC W W C OX P N MAX L =+∑=PFC t L MIN OX 15,.=∑PF C aW C aW C aW C aW C N jP P P jN N N jP P P jN N PN 7175.6)(=∑+∑=+∑=∑++++ 设工作频率 MHzf C 30=mwV V V f C P DD OL OH C L T 95.20)(≈-=总)(TP DD P Lr V V k C -=τ放电时间常数为：于是,充电时间放电时间u 为从低电平充到高电平的归一化电平,u ’为从高电平放电到低电平的归一化电平。
估算中取值一级反相器的延时为：)(TNDD N Lf V V k C -=τ)]1()1[(12u arth u t r r -+-=τ)]'1()1'[(12u arth u t f f -+-=τ1.01=u 9.02=u 1.0'1=u 9.0'2=u ]9.0)19.0)[(11(21)]1()1)[((21)(2112arth k k V V C u th a u t t t n p T DB L r f r PHL PLH pd +-+-=-+-+=+=ττ电路模拟（1）指标要求：输出级 tr=tf（2）指标要求：tpHL<25 ns tpLH=25 ns tpLH <25 ns（3）指标要求：f work =30 MHz 两个译码器的功耗 P D,max =150 mW即单译码器P D,max =75 mW3 版图设计版图设计采用了3um,CMOS 设计规则。
4 版图检查1.版图设计规划检查(DRC)2.电路网表匹配(LVS)检查。
管脚排列顺序,使其均匀分布四周考虑了散热原则,两个译码分到中轴线两侧布线紧凑,缩短布线长度,减少高晶硅最小面积大面积接电源。
∑===61536.10i pdi pd nst t。