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现在主流的集成电路器件还是CMOS,所以理论的结构还是基于CMOS。CMOS有N和P两种MOS组合组合在一起。CMOS最简单的器件就是反相器。然后是标准的逻辑门(与门和或门),标准单元是采用w/L=2:1的PMOS和NMOS组成的与非门和或非门。然后,就可以实现所有的数字逻辑。当然,在实际的应用中,还有一些其他的重要结构,但是这三个单元是基本。
2、重要部分
逻辑门:
构建一个逻辑门,需要确定输入和输出,然后使用NMOS拓扑和PMOS拓扑构成逻辑门。这里由于NMOS和PMOS的连接关系一般采用对偶关系(串联对并联,并联对串联),所以只需要采用一个拓扑就可以得到逻辑门所实现的功能。以NMOS为例:串联为与,并联是或,最后的输出加非即可。其他的多输入模型也是基于这个来设计的。
传输特性:
前面提到,串联为与,并联为或。这是基于开关器件来说的。在实际的MOS器件时,串联的结构是具有延时的。例如A和B两个输入,A在B上面,也就是A靠近输出。在A=0,B=0时,F输出高电压。在A高时,NMOS-A的作用为电阻,可以较快地下降;而当B高时,NMOS-B的作用相当于电阻,NMOS-A相当于加了一个下拉电阻,需要更长的时间导通。也就是A=1,B=0->1的延时要比B=1,A=0->1的延时要小。这里区分了与门的两扇入的区别。
这个延时,最直接的结果就是限制了输入的数量。如果扇入过多,延时将增加到不可接受。而且可能出现最上面的MOS栅压大于电源电压而失效。一般输入数小于等于4最好。
对于输入更多的器件,可以采用单元电路组合的方法实现。这种实现方法的延时将转化为多路径,其中最慢的路径就是电路的速度。这里的分析就是要考虑逻辑努力。
逻辑努力:
计算逻辑努力有软件可以仿真,而对于估算来说,使用反相器模型会比较好理解。
一般的设计,MOS的W/L的值是确定的。所以对于一个反相器而言,延时也是一定的。理想的反相器的总延时Di=tp0(1+fi),而我们使用的一般是Di=tp0(p+gi hi)。
这里tp0的作用相当于一个单位延时,和长度的m是一个概念。P则是输入电容的延时,用于输入延时的描述,在空载时就是这个电路的延时。而g则是等效反相器个数,也就是逻辑努力。h则是Cout/Cin,也就是扇出。显然扇出越大,所能容纳的级数越大,延时越大。下面说一下这几个参数的计算:
g,将串联的宽长比除以串联个数,并联不变,相加除以2就是分母,分子就是总和除以2;简单理解就是串联延时增大,体现为分母减小修正。这里一般使用2:1的反相器为标准。
是指由CMOS技术制造的基本逻辑门,常见的包括与门(AND gate)、或门(OR gate)、非门(NOT gate)、与非门(NAND gate)、或非门(NOR gate)、异或门(XOR gate)和同或门(XNOR gate)等。
这些门具有低功耗、高噪声容限、可靠性高等优点,被广泛应用于数字电路中。
是指由CMOS技术制造的基本逻辑门电路,包括与门(AND)、或门(OR)、非门(NOT)、异或门(XOR)等。
CMOS技术是一种常用的集成电路制造技术,它利用了P型和N型MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管的互补特性。在CMOS数字集成电路中,每个逻辑门电路都由一对互补的MOS晶体管组成。
标准门电路的特点是它们具有固定的逻辑功能和输入输出特性,且可以用作构建更复杂的数字逻辑电路。例如:
- 与门(AND):具有两个或多个输入,仅当所有输入都为逻辑高电平时,输出为逻辑高电平。
- 或门(OR):具有两个或多个输入,只要有一个输入为逻辑高电平,输出即为逻辑高电平。
- 非门(NOT):具有一个输入,输出与输入相反,即当输入为逻辑高电平时,输出为逻辑低电平,反之亦然。
- 异或门(XOR):具有两个输入,当两个输入不同时,输出为逻辑高电平;当两个输入相同时,输出为逻辑低电平。
标准门电路是数字逻辑电路设计中的基本构建模块,通过组合和连接不同的标准门电路,可以实现各种复杂的数字功能和算法。
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