数字集成电路设计基础-第六章 CMOS逻辑部件
数字集成电路设计基础
数字集成电路设计基础
1. 数字逻辑
•布尔代数
•组合逻辑电路
•时序逻辑电路
•状态机
2. CMOS 技术
•CMOS 器件的结构和特性•MOS 晶体管的开关特性•CMOS 逻辑门
•CMOS 存储器
3. 数字集成电路设计流程
•系统规范
•架构设计
•逻辑设计
•物理设计
•验证和测试
4. 组合逻辑电路设计
•门级优化
•多级逻辑优化
•可编程逻辑器件 (FPGA)
5. 时序逻辑电路设计
•时钟和复位电路
•触发器和锁存器
•同步和异步时序电路
6. 存储器设计
•静态随机存取存储器 (SRAM) •动态随机存取存储器 (DRAM) •只读存储器 (ROM)
•闪存
7. 芯片设计中的布局和布线
•布局约束和规则•布线算法
•时序和功耗优化8. 验证和测试
•功能验证
•时序验证
•制造测试
9. 数字集成电路应用•微处理器和单片机•数字信号处理•通信系统
•嵌入式系统
其他重要概念：
•数制转换
•可靠性和容错性•EDA 工具
•低功耗设计
•可制造性设计。
《CMOS集成电路基础》课件
智能传感器和可 穿戴设备的普及
随着智能传感器和可穿戴设 备的普及，CMOS集成电路 将在这些领域发挥重要作用 ，实现更高效、更低功耗的 数据采集和处理。
神经网络和类脑 计算的发展
CMOS集成电路将在神经网 络和类脑计算领域发挥重要 作用，推动人工智能技术的 进一步发展。
系统级芯片的广 泛应用
随着系统级芯片的广泛应用 ，CMOS集成电路将与不同 芯片和模块进行集成，实现 更高效、更低功耗的系
晶圆制备
将高纯度硅材料加工成晶圆， 作为集成电路的基底。
薄膜沉积
在晶圆表面沉积所需厚度的薄 膜，形成各种有源和无源器件
。
光刻与刻蚀
通过光刻技术将设计好的电路 版图转移到晶圆表面，然后进
行刻蚀，形成电路图形。
掺杂与退火
通过掺杂工艺在晶圆中引入不 同元素，形成PN结和导电通
道，并进行退火处理。
03
每个逻辑门电路由NMOS和PMOS晶体管组成，形成反相器或与门、或门等基 本逻辑门。
工作原理
01
CMOS集成电路的工作原理基于 NMOS和PMOS晶体管的开关特 性。当输入信号发生变化时， NMOS和PMOS晶体管会交替导
02 通和截止，从而实现逻辑功能。
CMOS电路的电压摆幅较小，因 此功耗较低。此外，CMOS电路 还具有噪声容限高、抗干扰能力 强等优点。
我们应该如何学习和掌握CMOS集成电路技术
理论与实践结合
在学习过程中，应注重理论与实践相结合 ，通过实验和项目实践加深对理论知识的
理解。
持续学习与更新知识
随着技术的不断进步，应保持持续学习的 态度，关注新技术、新工艺的发展，不断 更新自己的知识储备。
培养问题解决能力
CMOS集成电路设计基础
CMOS集成电路设计基础CMOS（亦称互补金属氧化物半导体）是一种常用的集成电路设计技术，它在数字电路中广泛使用。
本文将详细介绍CMOS集成电路设计的基础知识。
CMOS电路是由PMOS（P型金属氧化物半导体）和NMOS（N型金属氧化物半导体）晶体管组成的。
PMOS和NMOS的工作原理相反，当输入信号为高电平时，PMOS开关导通，NMOS截断；当输入信号为低电平时，PMOS截断，NMOS导通。
通过PMOS和NMOS的结合，可以实现高度集成的数字电路。
CMOS电路的优势主要体现在以下几个方面：1.功耗低：由于CMOS电路只有在切换时才消耗功耗，因此静态功耗基本可以忽略不计。
而且CMOS在开关时的功耗也非常低。
2.噪声低：CMOS电路的输出电平会受到两个晶体管开关阈值的影响，这样可以减小由于电流变化而引起的噪声。
3.集成度高：CMOS电路可以实现非常高的集成度，因为它的结构非常简单，只需要两种类型的晶体管。
1.逻辑门设计：逻辑门是CMOS电路的基本单元，它可以实现与门、或门、非门等逻辑运算。
逻辑门的设计要考虑功耗、速度和面积等因素。
2.布局设计：布局设计是将逻辑门按照一定的规则进行布置，以实现电路的高集成度和高性能。
布局设计需要考虑晶体管的相互影响，以及电路的信号延迟等因素。
3.时序设计：时序设计是指在设计中考虑到电路的时序特性，以满足时序约束。
时序设计需要考虑时钟频率、延迟等因素，以确保电路的正确操作。
4.电源和地设计：CMOS电路需要提供稳定的电源和地，以确保电路的正常运行。
电源和地的设计需要考虑电源噪声、电源提供能力等因素。
总之，CMOS集成电路设计基础知识包括逻辑门设计、布局设计、时序设计和电源地设计等方面。
了解这些基础知识，可以帮助我们理解和设计复杂的CMOS集成电路，提高电路的性能和可靠性。
【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。
CMOS
CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成COMS的逻辑电平范围比较大（5～15V），TTL只能在5V下工作CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差CMOS功耗很小，TTL功耗较大（1～5mA/门）CMOS的工作频率较TTL略低，但是高速CMOS速度与TTL差不多相当。
功耗TTL门电路的空载功耗与CMOS门的静态功耗相比，是较大的，约为数十毫瓦（mw）而后者仅约为几十纳(10-9)瓦；在输出电位发生跳变时（由低到高或由高到低）,TTL和CMOS门电路都会产生数值较大的尖峰电流，引起较大的动态功耗。
速度通常以为TTL门的速度高于“CMOS门电路。
影响 TTL门电路工作速度的主要因素是电路内部管子的开关特性、电路结构及内部的各电阻阻数值。
电阻数值越大，工作速度越低。
管子的开关时间越长，门的工作速度越低。
门的速度主要体现在输出波形相对于输入波形上有“传输延时”tpd。
将tpd与空载功耗P 的乘积称为“速度-功耗积”，做为器件性能的一个重要指标，其值越小，表明器件的性能越好（一般约为几十皮（10-12）焦耳）。
与TTL门电路的情况不同，影响CMOS电路工作速度的主要因素在于电路的外部，即负载电容CL。
CL是主要影响器件工作速度的原因。
由CL所决定的影响CMOS门的传输延时约为几十纳秒。
关于CMOS逻辑门电路与TTL逻辑门电路使用的问题1、CMOS逻辑门电路与TTL电路相比有哪些优点？与TTL电路相比，CMOS逻辑门静态功耗小；允许电源电压范围宽；扇出系数大；抗噪容限大；带负载能力强；集成度等。
从发展趋势来看，由于制造工艺的改进和上述优点，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主要地位的逻辑器件。
2、TTL集成门电路使用注意事项（1）电源电压对于74系列应满足5V+5%的范围内，对于54系列应满足5V+10%的范围内；电源不能接反；为防止外来干扰通过电源串入电路，需要对电源进行滤波，通常在印刷电路板有电源输入端接入10μF~100μF电解电容进行滤波，每隔6~8个门加接一个0.01μF~0.1μF的瓷介电容对高频进行滤波。
数电06(CMOS逻辑门)
1 vo
噪声
vI
负载
1
负载门输入低电平时的噪声容限： VNL =VIL(max)－VOL(max)
3.传输延迟时间 传输延迟时间 表征门电路开关速度 它说明门电路在输入脉冲波形的作用 下，其输出波形相对于输入波形延迟 了多长的时间。
类型 参数 74HC 74HCT 74LVC 74AUC VDD=5 VDD=5V VDD=3.3V VDD=1.8V V
C D
&
⋅ L = L1 ⋅ L2 = AB⋅ CD
= AB+ CD +
上拉电阻对OD门动态性能的影响 3) 上拉电阻对 门动态性能的影响
Rp的值愈小，负载电容的充电时间 的值愈小， 的值愈小 常数亦愈小，因而开关速度愈快。 常数亦愈小，因而开关速度愈快。 但功耗大, 但功耗大,且可能使输出电流超过允 许的最大值IOL(max） 。 许的最大值 ）
ID电流方向: 电流方向 流进漏极 S 开启电压V 开启电压 TN >0 1） VGS >VTN时导通（开关闭合） ） 时导通（开关闭合） 2） VGS <VTN时截止（开关断开） ） 时截止（开关断开） 之间零偏或反偏。 另：衬底B与S之间零偏或反偏。 衬底 与 之间零偏或反偏 BS可连在一起，或NMOS可将 可连在一起， 可将B 可连在一起 可将 接电路的最低 接电路的最低电位
+10V T S2 P +10V 0V D2
采用两个极性相反的增强型MOS管 管 采用两个极性相反的增强型
V DD＞ V TN + V TP ) (
VTP = − 2 V
vi
vGSN vGSP TN
-10V 0V
TP
vO
CMOS组合逻辑门的设计
高噪声容限
CMOS电路对噪声干扰具有较强的 容忍度，因此具有较高的信号完整 性。
高速运行
CMOS电路的开关速度很快，可以 实现较高的工作频率。
低成本
CMOS电路的制作成本较低，并且 可以采用大规模量产的方式，使得 价格更加实惠。
03
CMOS组合逻辑门的设计 要素
输入和输出端口的设计
输入和输出端口是组合逻辑门的接口，需要根据应用需求进行合理设计。
案例四
• 总结词：基于不同输入/输出类型的CMOS门电路设计需要考虑不同的输入/输出类型的特点和限制，以确保 电路的性能和稳定性。
• 详细描述：CMOS门电路可以采用不同的输入/输出类型实现，如TTL、CMOS、ECL等。每种类型都有其特 点和限制，因此需要根据具体需求选择合适的类型。例如，TTL类型具有较高的速度和较低的功耗，但需要 较高的电压；CMOS类型具有较低的功耗和较高的稳定性，但速度较慢；ECL类型具有较高的速度和较低的 功耗，但需要特殊的信号电平。在设计基于不同输入/输出类型的CMOS门电路时，需要考虑这些特点和限 制，以实现最佳的性能和稳定性。
分类
组合逻辑门包括基本逻辑门（AND、OR、NOT）、复杂逻辑门（多输入门、 多输出门）和其他特殊门（如异或门、半加器等）。
组合逻辑门的基本功能
01
02
03
实现逻辑运算
组合逻辑门可以用于实现 各种基本的逻辑运算，如 与、或、非等。
组合逻辑函数
组合逻辑门可以用于实现 组合逻辑函数，即多个输 入决定一个输出的函数。
，实现复杂的逻辑功能。
在实现逻辑功能时，需要考虑电 路的复杂度、时序和功耗等因素
，以优化设计。
性能优化与功耗控制
性能优化是CMOS组合逻辑门设计 的重要环节，包括时序、功耗、面 积等方面。
cmos数字集成逻辑电路设计
cmos数字集成逻辑电路设计CMOS数字集成逻辑电路设计是现代数字电路设计领域的一项关键技术。
随着数字电路应用不断发展与普及，对于此类技术的追求与优化也愈加重要。
本文将分步骤阐述CMOS数字集成逻辑电路设计的一般过程。
第一步是确定设计需求。
这一步需要明确设计的目标和功能，包括输入与输出引脚、工作时钟周期、功耗、延迟和芯片尺寸等因素。
在实际设计过程中，需求的明确和合理性直接影响到最终设计的成败。
第二步是进行逻辑设计。
在此步骤中，需要确定数字逻辑电路的功能和实现方法，如AND, OR, NOT等基本逻辑门的组合，以及具体的逻辑条件。
此外，还需要进行布尔代数化简、卡诺图化简等工作，用以简化电路结构，减少电路面积和功耗，提高电路速度。
第三步是进行电路原理图设计。
在此步骤中，需要按照逻辑设计的结果，利用EDA工具进行电路原理图的绘制。
电路原理图绘制的关键在于结构的清晰和细节的精确，避免因细节失误导致后续的时间和金钱资源浪费。
第四步是电路模拟与验证。
通过电路模拟与验证，可验证电路设计在特定时钟周期和环境下是否达到了设计目标。
此步骤中所使用的EDA工具需要具备较高的仿真性能和准确性。
第五步是版图设计。
在此步骤中，需要将电路原理图转换成实际布局的物理结构。
在版图设计中，需要考虑诸如电路线路规则、布局约束、电压降等实际问题。
此外，芯片面积的大小也是版图设计的关键课题，需权衡面积与功能的平衡。
第六步是芯片制造。
此时，制造工厂将按照版图所示输出芯片端口线路，并且附有一层层次膜的还原模式。
在制造过程中，需考虑工艺的纯度和稳定性，以确保芯片符合设计要求。
总的来说，CMOS数字集成逻辑电路设计的过程复杂而繁琐，需要开发者的技术水平、设计经验和耐心等多方面素质的加持。
然而，强大的数字电路设计工具和准确而稳定的工艺技术，也使得CMOS数字集成逻辑电路设计的困难被逐步克服。
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数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS内部信号分布式驱动 结构
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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2020/7/31
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同样有上拉和下拉两种情况，对应并联PMOS和并联NMOS
2020/7/31
数字集成电路设计基础
6
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
1Y
1Y
2X
简单计算方法
2Y
Y μn X μp
2Y
2X
1X
1X
等效倒相器中（W/L）N =X；（W/L）P =Y
2020/7/31
数字集成电路设计基础
DE C F A B
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
CMOS与或非门
OUT ina inb inc ind ine
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
CMOS或与非门
OUT ina inb inc ind ine
➢ 根据频率要求和有关参数计算等效倒相器NMOS和PMOS的宽长比。
➢ 对于串联网络结构，为保持时间常数不变，串联网络各单元的等效电阻必 须缩小N倍，即它们的等效宽长比必须是倒相器中对应晶体管宽长比的N 倍。
➢ 对于并联网络结构，为保证在只有一个并联支路导通的情况下，仍能获得 所需的电阻，要求各并联支路等效晶体管宽长比与倒相器中对应晶体管相 同。
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
VDD
× VDD
VDD
RP
N型衬底
RP
倒相器
2020/7/31
P型衬底
×RN
RN
数字逻辑等效电路模型 数字逻辑行为模型
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
Y×3 Y×1
12个晶体管
10个晶体管
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
NMOS传输门和PMOS传输门
CMOS传输门
为什么PMOS位于逻 辑电路的上部， NMOS位于逻辑电路 的下部，想过吗？
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
三态门
相同的资源，有什么优点？
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
Z = （A ·（B ·C+E）+D ·F）·（G+H）
2020/7/31
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS D触发器
2020/7/31
➢ 为保证在只有一个PMOS晶体管导通的情况下，仍能获得所需 的上升时间，要求各PMOS管的宽长比与倒相器中PMOS管相 同。
2020/7/31
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
串并结构：
6Y 6Y 3Y 1/3
1/4 4Y 4Y 2Y 1/2
6Y
1/4 4Y
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
与非门设计方法（或非门类似）：
➢ 将与非门中的N个串联NMOS管等效为倒相器中的NMOS管， 将N个并联的PMOS管等效为倒相器中的PMOS管。
➢ 根据频率要求和有关参数计算等效倒相器NMOS和PMOS的宽 长比。
➢ NMOS管为串联结构，为保持下降时间不变，各NMOS管的等 效电阻必须缩小N倍，即它们的宽长比必须是倒相器中NMOS 管宽长比的N倍。
=
1/3 3Y
1/4 4Y
1/2
1/3 3Y
W/L=Y 1/4 4Y
差别：27Y
2020/7/31
数字集成电路设计基础
22Y
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
复杂网络设计方法：
➢ 将下拉网络（NMOS管）等效为倒相器中的NMOS管，将上拉网络（ PMOS管）等效为倒相器中的PMOS管。
数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
3R？× ？
RRR
R
为保证在任何情况下，由电阻网络和负载电容所决定的 充放电时间，均满足由性能指标所决定的上升、下降时间 要求，所以，要按照最坏情况进行设计，即单支路导通情
况。
因此，各并联MOS管应和等效倒相器对应晶体管宽长 比相同。
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
异或门 Z A B A B A B A B
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
同或门（异或非门） Z A B A B A B A B A B A B
等效倒相器中晶体管电阻
R/3
R/3
R （ W/L=Y） VDD
下拉
R/3
上拉
非饱和区 饱和区
Ron
VDS I DS
2tox μnεox
2(VGS
1 VTN) VDSFra bibliotek1 WL
Ron
2tox μnεox
VDS VGS VTN
2
1 WL
电阻比=宽长比之倒比
PMOS串联 NMOS串联
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➢ 对于串联网络结构中的局部并联结构，每个并联支路的等效晶体管宽长比
与串联网络单元的等效晶体管相同。
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数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
其他CMOS逻辑门
逻辑行为：
A
OUT
B
C D EF
VDD
D EF
？C
B
A
OUT
或-与-或-与-非
D EC F AB
与-或-与-或-非
数字集成电路设计基础-第六章 CMOS逻辑部件
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
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数字集成电路设计基础
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第六章 CMOS逻辑部件
CMOS与非门和或非门的结构及设计
S/D
S/D
G
衬底
G
MOSFET
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D/S 衬底
D/S
数字逻辑等效电路模型 数字逻辑行为模型