第3讲、电路设计风格

1、1电路设计风格电路设计风格一、MOS管分类及特性二、静态互补逻辑 三、传输管逻辑 四、差分级联逻辑五、CPL逻辑六、动态逻辑 Combinational logic circuit design （组合逻辑电路设计）2一、一、MOSMOS管分类及特性管分类及特性CMOS型型：互补型：互补型场场效效应应管管结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅效应管绝缘栅效应管IGFET（MOS）增强型增强型耗尽型耗尽型PMOSNMOSPMOSNMOS3MOSMOS管的开关特性管的开关特性 G G：栅极：栅极D D：漏极：漏极S S：源极：源极B B：衬底：衬底NMOS:NMOS:输入输入“”导导通通PMOS:

2、PMOS:输入输入“”导导通通NMOSNMOSPMOSPMOS4二、二、 Static complementary CMOS 静态CMOS互补逻辑 反相器 与非门Pulldown Logic Block下拉逻辑块Pullup Logic Block上拉逻辑块5反相器反相器图（图（a）图（图（a）NMOS:NMOS:输入输入“”导导通通PMOS:PMOS:输入输入“”导导通通6、上拉网络、上拉网络: PMOS (PMOS衬底：总是接衬底：总是接VDD) 下拉网络下拉网络: NMOS (NMOS衬底：总是接衬底：总是接GND)、 逻辑功能：逻辑功能： 1）NMOS ：串联：串联 - 与与 并联并联

3、 - 或或 2） PMOS ：串联：串联 - 或或 并联并联 - 与与 3）最后输）最后输 出：取出：取“非非” CMOS互补逻辑设计规则设计规则7 与非门与非门 或非门或非门 复杂门复杂门CEDBAZ、上拉网络、上拉网络: PMOS (PMOS衬底：总是接衬底：总是接VDD) 下拉网络下拉网络: NMOS (NMOS衬底：总是接衬底：总是接GND)、 逻辑功能：逻辑功能： 1）NMOS ：串联：串联 - 与与 并联并联 - 或或 2） PMOS ：串联：串联 - 或或 并联并联 - 与与 3）最后输）最后输 出：取出：取“非非”8与或非门 AOI9或与非门 OAI10异或/同或逻辑 11异或

4、电路的实现12用与或非门实现 “异或” “同或”功能 13 三、 Switch logic 开关逻辑 （传输管逻辑 transmission logic, pass logic)nTypes of switches 互补传输管逻辑 (transmission logic) NMOS传输管逻辑 (pass logic)传输门 NMOS传输管利用传输门的逻辑特点，可以简化CMOS逻辑电路。传输门体现了MOS管的双导通特性，为逻辑电路的设计增加了灵活性。以NMOS传输门为例说明传输门的逻辑特点。分析CMOS传输门也只分析其中NMOS管功能即可。14VDD00VDDVDDVDD - VtnA = 1时

5、n Y = BAB?Y 但高电平有阈值损失00/VDD高阻2) A = 0时 Y = 高阻XABAY即不定态X 传输管逻辑的特性153) n-type switch高电平有阈值损失 必须用电平恢复电路VDD0VDD - VtVDDVDDVDD - Vtout+16级联时应注意VDDVDD - VtVDDVDD - 2VtVDDVDDVDD - VtVDD不好可以17用传输管逻辑设计电路设计时要消除输出的不确定状态1) 设计原理182) 传输管实现的与门需要6个晶体管（产生非, 还要一个反向器4个晶体管（产生B非，要一个反向器19问题：传输管逻辑能产生非逻辑吗？非逻辑吗？不能。不能。传输管逻辑是

6、一种非完备的逻辑。传输管逻辑是一种非完备的逻辑。（可以实现与、或、非的逻辑是完备的）（可以实现与、或、非的逻辑是完备的）解决方案：使用其他逻辑。（需要非逻解决方案：使用其他逻辑。（需要非逻辑的部分使用反向器）辑的部分使用反向器）20异或门AY=AB+AB21多路选择器多路选择器(MUX-Multiplexer ) 多路选择器或多路选择器或多路转换开关(MUX)是MOS开关的一个典型应用，图（a）给出了一个简单的NMOS四到一转换开关的电路和它所对应的转换关系。ABF00P401P310P211P11234FABPABPABPA BP22传输门逻辑传输门逻辑() NMOS型 ()全传输门型23(

7、C) CMOS型 CMOS结构的多路转换开关克服了NMOS结构所存在的传输高电平阈值电压损耗和串联电阻大的问题，但晶体管数目增加了一倍。24四、差分级联电压开关逻辑差分级联电压开关逻辑，DCVSL = differential cascode voltage switch logic25wDCVSL = differential cascode voltage switch logic （差分级联电压开关逻辑）w属于Static logic.w延时小 (Uses latch to compute output quickly).w双轨逻辑（Requires true/complement in

8、puts, produces true/complement outputs）.261、DCVS structure下拉网络采用下拉网络采用NMOS器件，并且两者是互斥的器件，并且两者是互斥的: 左边导通时右边关断左边导通时右边关断; 右边导通时左边关断右边导通时左边关断.272 、buffer/inverter3、与/与非门门下拉网络采用下拉网络采用NMOS器件，并且两者是互斥的器件，并且两者是互斥的: 左边导通时右边关断左边导通时右边关断; 右边导通时左边关断右边导通时左边关断.28BAABBBOutOutXOR-NXOR gate4、异或、异或/同或门同或门两个下拉网络之间共用了晶体管，

9、从而实现了面积开销的减少。295、AO/AOI306 基于基于DCVSL的与或的与或/与或非门与或非门()aa b cabca ba cb c317、特点w1）属于静态逻辑.w2）属于双轨逻辑w out和outb有相同的延时w3）延时小. 因为有正反馈加速w4）面积小w 因为NMOS多w5）功耗大w 因为正反馈时存在短路AAOutOut32五、互补传输（CPL）逻辑高性能设计中常使用CPL逻辑。基本思想（类似DCVSL）是接收真输入及其互补输入并产生真输出及其互补输出。特点：、采用差分方式，电路中总是存在互补的数据输入和输出。所以不必增加反向器来得到反信号。33、CPL属于静态门类型，因为定义

10、为输出的节点总是通过一个低阻路径连到VDD或GND。、CPL的设计具有模块化的特点。他们都采取完全相同的拓扑结构。只是输入的排列不同。这使得这类单元库的设计非常简单。较复杂的门可以通过串联标准的传输管模块来构成。特点：34互补传输逻辑互补传输逻辑与与/与非门与非门或或/或非门或非门ABBAB35互补传输逻辑互补传输逻辑数据选择器数据选择器同或同或/异或门异或门ABABAB36四输入与门四输入与门用用CPL实现的四实现的四输入与输入与/与非门，使用与非门，使用的晶体管总数是的晶体管总数是14个个（包括最后的缓冲器）（包括最后的缓冲器）这个数字高于前面讨这个数字高于前面讨论过的门。但是这个论过的门

11、。但是这个结构同时产生了与结构同时产生了与/与与非功能，这可能减少非功能，这可能减少整个电路的晶体管数整个电路的晶体管数目。目。37六、Domino logicUses precharge clock to compute output in two phases:nPrecharge (预充电);nEvaluate （赋值）.381. Domino gate structureIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOutCLOutClkClkABCMpMeTwo phase operation Precharge (CLK = 0) Evaluate (CLK = 1)39OutClk

12、ClkABCMpMeonoff1offon(AB)+C)Two phase operationIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOutCL2. Operation Evaluate (Clk = 1)0011Precharge (Clk = 0)403. Cascading Dynamic GatesClkClkOut1InMpMeMpMeClkClkOut2VtClkInOut1Out2VVTnOnly 0 1 transitions allowed at inputs!41In1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PDNIn5MeMpClkClkOut2Mkp1 11 00 00 13. Cascading Dynamic GatesnControlled by clock .nPrecharge: p-type pullup precharges the storage node; inverter ensures that output goes low.nEvaluate: storage node may be pulled down, so output goes up.42Why Domino?ClkClkIniPDNInjIniInjPDNIniPDNInjIniP