集成电路课设-基于CMOS二输入或门设计.docx

武汉理工大学《集成电路》课程设计说明书
课程设计任务书
学生姓名： 杨子意 专业班级： 电子科学与技术
指导教师： 刘金根 工作单位： 信息工程学院
题 目: 二输入或门CMOS。
初始条件：
计算机、ORCAD软件，L-EDIT软件，
要求完成的主要任务: （
1、课程设计工作量：2周
2、技术要求：
（1）学习ORCAD软件和L-EDIT软件。
（2）设计一个而输入或门电路。
（3）利用ORCAD软件和L-EDIT软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
2014.11.22布置课程设计任务、选题；讲解课程设计具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课程设计答疑事项。
2014.11.25-11.27学习ORCAD软件和L-EDIT软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。
2014.11.28-12.5对二输入或门电路进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。
2014.12.6 提交课程设计报告，进行答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目录
摘要 1
1 原理分析 2
1.1或非门的工作原理 2
1.2反相器的工作原理 3
1.3或门的计算 4
2 方案论证 5
2.1总体设计 5
2.2子模块设计 6
2.2.1反相器的设计 6
2.3.2 或非门的设计 7
3原理图的仿真 7
4 版图的绘制 9
4.1 PMOS版图设计 9
4.2 或门版图的设计 9
4.3 版图的DRC检查 11
5心得体会 12
6参考文献 13

摘要
越来越多的电子电路都在使用MOS管，特别是在音响领域更是如此。MOS管与普通晶体管相比具有输入阻抗高、噪声系数小、热稳定性好、动态范围大等优点，且它是一种压控器件，有与电子管相似的传输特性，因而在集成电路中也得到了广泛的应用。
或门，又称或电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个2输入或门构成。只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。通常使用一个或非门再加一个反向器实现。
关键词：MOS管 集成电路 或门

1 原理分析
1.1或非门的工作原理
或非门就是将两个CMOS非门电路图的工作管Vn1、Vn2（N沟道管）并联起来，负载管Vp1、Vp2（P沟道管）串联起来，就可以构成或非逻辑电路如图1所示。

图1 CMOS逻辑或非门电路
当输入中只有一个或两个都为高电平时，工作管Vn1、Vp1中必定有一个处于导通状态，负载管Vn2、Vp2中必定有一个处于截止状态，使输出端对公共端的连接为低电阻连接，对电源的连接为高电阻连接，故逻辑电路输出电压为低电平。
当输入全为低电平时，工作管Vn1、Vp1同时截止，负载管Vn2、Vp2同时导通，使输出端对公共端的连接为高电阻连接，对电源端的连接为低电阻连接，故逻辑电路输出电压为高电平。
综上所述，逻辑电路输出信号与输出信号的逻辑关系实现或非运算关系。
1.2反相器的工作原理
CMOS反相器电路如图2所示它由两个增强型MOS场效应管组成，其中Vn为NMOS管，称驱动管，Vp为PMOS管，称负载管。 NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范围在2~5V之间。为了使电路能正常工作，要求电源电压UDD>(UTN+|UTP|)。UDD可在3~18V之间工作，其适用范围较宽。

图2 CMOS反相器
(1)当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此Vn管截止，而此时|UGS2|>UTP|，所以Vp导通，且导通内阻很低，所以UO=UOH≈UDD， 即输出为高电平.
(2)当UI=UIH=UDD时，UGS1=UDD>UTN，Vn导通，而UGS2=0<|UTP|，因此Vp截止。此时UO=UOL≈0，即输出为低电平。 可见，CMOS反相器实现了逻辑非的功能.
CMOS反相器的电压传输特性如图3所示。

图3 CMOS反相器电压传输特性
CMOS 反相器的电流传输特性如图4所示。

图4 CMOS 反相器的电流传输特性
在II段由于Vp截止，阻抗很高，所以流过Vp和Vn的漏电流几乎为0。 在IV段Vn截止，阻抗很高，所以流过Vp和Vn的漏电流也几乎为0。只有在III段，Vp和Vn均导通时才有电流iD流过Vp和Vn，并且在UI=1/2UDD附近，iD最大。
1.3或门的计算
或门的真值表如表1所示，可以得出或门的逻辑表达式是F=A+B；
A
B
F
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
表1 或门的真值表
而或非门的逻辑表达式为所以只要再接一个反向器就得到一个或门。
2 方案论证
2.1总体设计
或门的逻辑表达式是：Y=A+B。我们可以用二极管轻松的设计出来，如图5所示，但是，考虑到功耗，噪声系数、热稳定性、动态范围等原因，在集成电路中我们一般用到的是MOS管来完成电路的集成。所以，这里我们采用的是一个或非门再串联一个反相器实现或门如图6所示。

图5二极管或门逻辑电路

图6 CMOS或门逻辑电路
2.2子模块设计
CMOS或门是由一个或非门和一个反相器实现，所以需要设计一个反相器和一个或非门。
2.2.1反相器的设计
反相器是可以将输入信号的相位反转180度，这种电路应用在摸拟电路，比如说音频放大，时钟振荡器等.反相器的原理图如图7所示。

图7 反相器原理图
（1）当UI=UIL=0V时，UGS1=0，因此V1管截止，而此时|UGS2|
|UTP|，所以V2导通，且导通内阻很低，所以UO=UOH≈UDD， 即输出为高电平。
（2）当UI=UIH=UDD时，UGS1=UDD>UTN，V1导通，而UGS2=0<|UTP|，因此V2截止。此时UO=UOL≈0，即输出为低电平。 可见，CMOS反相器实现了逻辑非的功能。
2.3.2 或非门的设计
或非门只有当两个输入A和B为低电平（逻辑0）时输出为高电平（逻辑1）。也可以理解为任意输入为高电平（逻辑1），输出为低电平（逻辑0）。或非门的原理图如图8所示

图8 或非门原理图
3原理图的仿真
用OrCAD画出或门的原理图，如图9所示。

图9 orCAD或门原理图
DSTM1为A输入，DSTM2为B输入，在两输入端各放一个电压探针，监视A、B输入端的输入波形，在输出福安放一个电压探针，监视输出端的波形，点击仿真键，得到仿真波形，如图10所示。

图10 仿真波形
图10中V（M3:g），V(M4:g)为输入，V(M6:d)为输出，有图可知，当V（M3:g）或V(M4:g)有一个为高电平，则输出V(M6:d)为高电平；V（M3:g）、V(M4:g)全是低电平时，输出V(M6:d)为低电平，满足或门的逻辑规则，所以原理图正确。
4 版图的绘制
4.1 PMOS版图设计
首先用L-edit或一个PMOS如图11所示

图11 PMOS的版图
通过绘制PMOS的版图，学习了L-edit软件的基本使用方法，使自己能够慢慢的画出整个或门的版图。
4.2 或门版图的设计
或门的版图有两部分组成，如图12，图13所示。是一个或非门加一个反相器组成。或非门是由两个PMOS和两个NMOS组成，反相器是有一个PMOS和一个NMOS组成。

图 12 或非门的版图

图13 反相器的版图
两个版图相互连接就构成一个或门的版图，如图14所示。

图14 或门的整体版图
4.3 版图的DRC检查
执行命令tools\DRC，就能对版图进行DRC电气检查，系统自动检查对弹出检查结果。如图15所示。

图15 DRC检查结果
显示没有DRC错误。
5心得体会
通过这次学习，让我受益匪浅 ，从中学到了独自解决问题的能力，同时也认识到自己的不足，通过对学过的知识的运用，发现了自己很多的不足，理论联系实际，要知道知识重在学以致用，要将知识灵活的运用于实践，才是真正的掌握了。感谢老师的帮助与指导。
做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用，而且考试内容有限，所以在这次课程计过程中，对整个数字芯片全定制设计流程有了一个总体的认识。学会了数字集成电路中MOS管参数的设计。我们更加明白了很多比如说寄生电容包含几部分，分别怎么计算，还有寄生电容对芯片功耗和延时的影响及估算等课堂上学过又很模糊的东西。同时也熟练掌握了cadance软件操作。
印象最深的是版图设计当中遇到了非常多的问题，由于第一次接触版图，又没有认真阅读数据手册。版图绘制过程中出现了很多规则上的错误，导致后面规则检查不能通过。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。通过动手实践让我对其结构映象深刻，原理更加明白了。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。认识来源于实践，实践是认的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

6参考文献
[1]甘学稳．集成电路原理与设计．北京：北京大学出版社，2006.2．
[2]贾新章等. 电子电路CAD技术----基于OrCAD9.2, 西安电子科技大学出版社，2002年出版.
[3] 权海洋主编。《超大规模集成电路设计与实践》，西安电子科技大学出版社，2003年出版.
[4]康华光．模拟电子技术基础．武汉：高等教育出版社，2005.7．
[5]舒庆莹，凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：武汉理工大学出版社，2008.2．
[6]虞西清. 专用集成电路设计实用教程. 浙江: 浙江大学出版社，2007.1．
[7]谢自美. 电子线路设计. 第三版. 武汉: 华中科技大学出版社，2006.2．
[8]万嘉若，林康运. 电子线路基础. 上海: 高等教育出版社，2007.4．

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武汉理工大学《集成电路课程设计》

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
杨子意
性 别
男
专业、班级
电子科学与技术
课程设计题目： 二输入或门CMOS的设计
课程设计答辩或质疑记录：
1 什么是或门？
答：或门，又称或电路。如果几个条件中，只要有一个条件得到满足，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。只要输入中有一个为高电平时（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；只有当所有的输入全为低电平时，输出才为低电平。
2 为什么不用二极管搭建或门电路？
答：考虑到功耗，噪声系数、热稳定性、动态范围等原因，在集成电路中我们一般用到的是MOS管来完成电路的集成。所以，这里我们采用的是一个或非门再串联一个反相器实现。
3 怎样实现图形版图移动？
答：先选择所要移动的对象，使用鼠标的中间键(Move-Edit)即可拖曳对象到新的位置，如果已经有对象在选择的状态下，则该对象就可以被移动；若是尚未有对象在选择的状态下，则鼠标附近的对象(隐选的方式)会被移动。
成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：
年 月 日
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