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CMOS组合逻辑门的设计CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种集成电路技术，由P型和N型MOS（金属氧化物半导体）组成。
CMOS技术被广泛应用于数字逻辑门的设计中。
本文将详细介绍CMOS组合逻辑门的设计过程。
组合逻辑门是一种不带有存储元件的数字电路，根据输入的状态产生相应的输出状态。
CMOS组合逻辑门由MOS场效应晶体管和电阻组成。
在CMOS技术中，MOS晶体管可以工作在两种模式下：通过模式和截止模式。
通过模式下的晶体管导通，截止模式下的晶体管断开。
CMOS逻辑门的设计过程通常包括以下步骤：1.需求分析：首先确定需要设计的逻辑门的功能和特性。
了解输入输出关系和逻辑表达式。
2.逻辑表达式转换：将逻辑表达式转换为布尔代数表达式。
根据布尔代数原理，使用布尔代数运算符对逻辑表达式进行化简和转化。
3.逻辑电路设计：根据逻辑表达式，使用MOS晶体管和电阻等元件设计逻辑电路。
4.原理图绘制：根据逻辑电路设计，使用电路设计软件绘制电路原理图。
将所需的逻辑门、晶体管和电阻等组件进行布局。
5.模拟仿真：使用电路设计软件进行模拟仿真，验证逻辑门的设计是否正确。
通过输入信号，验证输出信号是否符合逻辑表达式。
6.物理布局设计：根据电路原理图和仿真结果，进行逻辑门的物理布局设计。
确保信号传输的最佳路径和减小电路延迟。
7.版图布线：根据物理布局设计，进行电路的版图布线。
将各个组件进行布线，保证信号传输的稳定性和最短路径。
8.工艺制造：根据版图布线，转化为切割、离子注入或敏感处理等工艺制造步骤。
生产出需要的CMOS逻辑门。
CMOS技术在逻辑门设计中具有许多优点，如低功耗、高集成度、高噪声抑制能力等。
CMOS逻辑门由于其优势得到了广泛应用，如在微处理器、数字信号处理器和存储器中。
总之，CMOS组合逻辑门的设计过程包括需求分析、逻辑表达式转换、逻辑电路设计、原理图绘制、模拟仿真、物理布局设计、版图布线和工艺制造等步骤。
CMOS技术在逻辑门设计中具有优越性能，得到了广泛应用。
CMOS电路基础原理CMOS（互补金属氧化物半导体）电路是现代电子领域中常用的集成电路设计技术。
它在数字逻辑电路和模拟电路中广泛应用，并且具有低功耗、高集成度以及较强的抗干扰能力等优点。
本文将介绍CMOS电路的基础原理。
一、CMOS电路结构CMOS电路由N沟道金属氧化物半导体场效应管和P沟道金属氧化物半导体场效应管构成。
N沟道和P沟道管具有互补的传输特性，能够有效降低功耗。
CMOS电路结构包括传输门、组合逻辑电路和时钟电路等。
1. 传输门传输门是CMOS电路的基本单元，常见的有与门、或门以及非门等。
与门由一对并联的P沟道和N沟道管组成，当且仅当两个输入信号同时为高电平时，输出为高电平。
或门由一对串联的P沟道和N沟道管组成，当且仅当两个输入信号中至少一个为高电平时，输出为高电平。
非门由两个逆并联的P沟道和N沟道管组成，当输入信号为高电平时，输出为低电平。
2. 组合逻辑电路CMOS电路中的组合逻辑电路包括与非门、异或门等。
与非门由与门和非门级联而成，输入信号经过与门进行与操作，然后再经过非门进行取反操作。
异或门由与非门和异或非门级联而成，输入信号经过与非门进行与非操作，然后再经过异或非门进行异或操作。
3. 时钟电路CMOS电路中的时钟电路包括振荡电路和触发器等。
振荡电路用于产生稳定的时钟信号，常见的电路有RC振荡电路和LC振荡电路等。
触发器用于存储和传输信息，常见的触发器有RS触发器、D触发器以及JK触发器等。
二、CMOS电路工作原理CMOS电路的工作原理基于PN结和MOSFET的特性。
当控制电压施加于PN结时，PN结正向偏置导通，反向偏置截止。
同时，对于MOSFET来说，当栅极电压低于阈值电压时，沟道断开；当栅极电压高于阈值电压时，沟道导通。
CMOS电路中，P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的栅极交替连接，形成互补对。
当输入信号为低电平时，P沟道MOSFET导通，N 沟道MOSFET截止；当输入信号为高电平时，P沟道MOSFET截止，N沟道MOSFET导通。
cmos组合逻辑CMOS组合逻辑CMOS组合逻辑是一种基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的数字逻辑电路。
它由一系列的CMOS门电路组成，用于实现各种逻辑功能，如与门、或门、非门等。
CMOS组合逻辑具有低功耗、高噪声抑制能力和高集成度等优点，因此在现代集成电路设计中得到广泛应用。
CMOS组合逻辑的基本单元是CMOS门电路，它由一个PMOS （P型金属氧化物半导体）和一个NMOS（N型金属氧化物半导体）晶体管组成。
PMOS的源极连接到正电源，NMOS的源极连接到地，两个晶体管的栅极相连，构成了CMOS门电路的输入端，而两个晶体管的漏极相连，构成了CMOS门电路的输出端。
CMOS组合逻辑的输入信号通过CMOS门电路的输入端进入，经过晶体管的驱动，最终输出到CMOS门电路的输出端。
不同的CMOS门电路通过晶体管的连接方式和工作状态的不同，实现了不同的逻辑功能。
与门是CMOS组合逻辑中最简单的一种逻辑门电路，它有两个输入端和一个输出端。
当且仅当两个输入信号同时为高电平时，输出信号才为高电平；否则输出信号为低电平。
与门的输入信号经过NMOS晶体管的驱动，当且仅当两个输入信号同时为高电平时，NMOS晶体管导通，输出端为低电平；否则NMOS晶体管截止，输出端为高电平。
同时，PMOS晶体管的工作状态与NMOS晶体管相反，实现了逻辑功能的与运算。
与门的逻辑功能可以通过串联多个与门电路来实现更复杂的逻辑功能，如与非门、与或非门等。
与非门是由一个与门和一个非门组成的，当且仅当输入信号为低电平时，输出信号为高电平；否则输出信号为低电平。
与非门的输入信号经过与门的驱动，当两个输入信号同时为高电平时，与门的输出为低电平，通过非门的反向作用，最终输出端为高电平。
或门是CMOS组合逻辑中另一种常见的逻辑门电路，它有两个输入端和一个输出端。
当两个输入信号中至少一个为高电平时，输出信号为高电平；否则输出信号为低电平。
或门的实现与与门类似，只是晶体管的连接方式有所不同，通过调整晶体管的工作状态，实现逻辑功能的或运算。
第五章CMOS组合逻辑电路设计II －动态CMOS电路第一节动态逻辑门电路的基本结构、原理、特点第二节多米诺（Domino）CMOS电路第三节改进的Domino CMOS电路第四节时钟CMOS （C2MOS）第一节动态逻辑门电路的基本结构、原理、特点一、预充－求值动态CMOS的基本结构和工作原理二、动态CMOS的特点三、动态CMOS的问题四、动态CMOS的级联静态电路：靠管子稳定的导通、截止来保持输出状态除状态反转外，输出始终与VDD和GND保持通路。
动态电路：靠电容来保存信息一、预充－求值动态CMOS 的基本结构和工作原理In 1In 2PDN In 3M e M p Clk Clk Out C L 预充－求值动态CMOS 电路的基本结构工作过程：➢预充阶段：Clk ＝0，Out 被Mp 预充到VDD ，Me 截止，无论输入何值，均不存在直流通路。
此时的输出无效。
➢求值阶段：Clk ＝1，Mp 截止，Me 导通，Out和GND 之间形成一条有条件的路径。
具体由PDN 决定。
若PDN 存在该路径，则Out 被放电，Out 为低电平，“0”。
如果不存在，则预充电位保存在CL 上，Out 为高电平“1”。
➢求值阶段，只能有与GND 间的通路，无与VDD 间的，一旦放电，不可能再充电，只能等下次。
预充FET 求值FET预充－求值动态CMOS 电路的工作原理预充预充求值输出只在此时有效),2,1(Xn X X F Y ⋅⋅⋅=当Clk ＝1时Clk OutClk ＝0时，输出为1，与输入无关OutClk Clk ABCM p M e on off 1off on((AB)+C)例PUNPUN 构成的动态CMOS 电路),2,1(Xn X X F Y ⋅⋅⋅=Clk ＝1时，输出为0，与输入无关当Clk ＝0时一般不用PUN 网络二、动态CMOS的特点•逻辑功能由下拉网络PDN实现。
其结构和设计与互补CMOS 和类NMOS的一样。
•晶体管数目减少，由互补CMOS的2N减为N＋2•输出摆幅不变，V= GND ，V OH= V DDOL•无比电路，器件尺寸不影响输出的逻辑电平•VDD与GND之间不存在直流通路•开关速度提高–扇入只和一个FET相连，输入电容减小，相应负载电容)减小(Cin–无PUN网络，负载电容减小(Cout)一般不用PUN网络VTC ：(是静态量，难以全面反应动态CMOS 性能）•V OL = GND ，V OH = V DD•输入超过NMOS 的阈值电压Vtn 时，PDN 开始导通，但要等一定时间输出才为VOL ，因此VM ＝Vtn •VIH ，VIL 也都等于Vtn ，结果NML 很低•当输入为高，输出节点是悬浮的，对噪声敏感。
但NMH 很高动态：•t PLH 几乎为0，预充时已完成。
MP 的设计可以随意，不影响性能。
增大－预充时间短，但负载加大。
•tPLH 要比同样设计的互补CMOS 稍大一些。
Mn 的存在。
动态CMOS 的性能In 1In 2PDN In 3M e M p ClkClk Out C L 需要额外增加预充时间#Trns V OH V OL V M NM H NML t pHL t pLH t p6 2.5V 0V V 2.5-V V 110ps 0ns 83ps -0.50.51.52.500.51CLKCLK In 1In 2In 3In 4OutIn &CLK Out Time, nsEvaluate Precharge 例静态电路：靠管子稳定的导通、截止来保持输出状态除状态反转外，输出始终与VDD和GND保持通路。
动态电路：靠电容来保存信息动态电路的优点：对NMOS电路：动态电路可降低功耗，无比电路对CMOS电路：用动态电路简化电路，提高速度三、动态CMOS的问题电荷泄漏主要是亚阈电流依靠在电容上动态存储输出值，电荷泄漏使高电平降低，预充动态电路的时钟频率不能过低，最低在250Hz－1kHZ之间。
电荷泄漏的解决方案增加一个高电平保持FET和反相器M kp是弱pMOSFET即W/L<1电荷分享预充后存在CL上的电荷，可能会在中间节点（CA）之间再分配，结果使输出高电平降低，而且无法恢复，还可能形成直流通路。
电荷分享过程中的节点电平变化电荷分享问题V ABDDM1M2C C 1LM M PNV outΦ电荷分享问题C LM1DDC 1V V out (0) =V 1(0) =0电荷分享问题等效电路LDDL DD L f f L DD L C C V C C V C V V C C V C /1)(111+=+=+=一般要求∆Vout ＝VDD －Vf 小于|Vtp|电荷分享解决方案对中间节点也预充时钟反馈Clk和Out之间的耦合。
原因Cgd的影响四、动态CMOS的级联门间级联gate cascade －逻辑门的连接前级预充为1，该高电平会对后级产生影响，使nMOS开启，成为放电，结果导致电荷损失，噪声容限减小，甚至逻辑错误。
注意动态PDN电路间不能直接级联！！！PUN间不能直级联第二节多米诺（Domino ）CMOS 电路为解决动态CMOS 电路的级联而发展的In 1In 2PDNIn 3M e M pClkClk Out1In 4PDNIn 5M eM p ClkClkOut2M kp1 →11 →00 →00 →1加一级反相器，实现不带非逻辑可以用动态PDN 电路直接级联予充V1V2V3V4 V in级联电路中，各级信号会通过一级级的连锁反应传递电平。
好象多米诺骨牌，这也正是电路名称的由来。
M1M2M3M4A BC V V V V 34outDDV V 12C C x yDEABCDE–只实现不带非的逻辑–每个门都必须缓冲–可实现高速，tpHL＝0，只在低－高转换中有延迟•适于高速电路，第一个32位微处理器采用的是这种逻辑类型。
但由于只能实现不带非的逻辑，现在较少使用纯多米诺电路。
多输出多米诺电路V DDFf2f1F1 F=f1·f2V DDC 0P P P 123P 4G G G 123G 4C C C C 4321多输出多米诺电路实现4位进位链C i =G i +P i C i-1解决不带非的逻辑问题A B M e M p ClkClkOut = AB!A !BM kpClk Out = ABM kpM p1 01 0onoff差分多米诺电路静态电路：靠管子稳定的导通、截止来保持输出状态除状态反转外，输出始终与VDD和GND保持通路。
动态电路：靠电容来保存信息动态电路的优点：对NMOS电路：动态电路可降低功耗，无比电路对CMOS电路：用动态电路简化电路，提高速度第三节改进的Domino CMOS电路np CMOS 电路又称NORA逻辑，np Domino是一种改进的多米诺CMOS电路，省了每一级的缓冲器，级联改为由PDN和PUN 交替构成。
预充阶段CLK＝0PDN到高电平PUN到低电平需要两相时钟，即CLK和!CLK CLK例Out＝？np CMOS的连接ckV DDTGckΦΦΦΦ时钟信号的产生两相时钟经过不同延迟两相时钟经过近似相同延迟拉链CMOS Zipper CMOS•为了改进电荷泄漏和电荷分享问题，对普通npCMOS电路的改进。
•电路结构没变，只改变了控制预充晶体管的时钟和电平。
•预充时钟和求值时钟分离。
•预充时预充时钟的电平仍为0和VDD•求值时预充晶体管上的电位为Vdd -|Vtp|和Vtn，结果使预充晶体管为弱导通状态，在求值时起补偿作用。
•问题时钟控制较复杂第四节时钟CMOS （C 2MOS ）V V V inoutDDC C C BLAΦΦV inV outΦΦV DDM N1M N2M M P1P2时钟CMOS 反相器电路仍为互补CMOS只是在PDN 和PUN 间增加时钟控制或在PDN 与GND 及PUN 与VDD 间增加时钟控制。
在PDN与GND及PUN与VDD 间增加时钟控制。
无电荷分享问题正确接法另一种C2MOSV DDΦV in V outΦ时钟信号控制传输门C2MOS作为锁存的NOR 电路真正单相时钟CMOSTrue Single Phase Clock (TSPC) CMOS•采用单相时钟，没有时钟交叠等问题，不会出现错误求值–NMOS logic φ低时预充，φ高时求值–PMOS logic φ高时预充，φ低时求值全加器11111100111010101110110010100110000000C i S i C i-1B i A i 全加器真值表Sum = Ai XOR Bi XOR Ci-1＝PiXORCi-1Ci = AiBi + AiCi-1 + BiCi-1Gi=AiBiPi=Ai Bi ，与Ai+Bi 等价Ci=Gi+PiCi-1基于不同的逻辑类型可以实现不同种类的全加器单元电路互补CMOS传输门DCVSL多米诺CMOSnpCMOS………….. 减少延迟、节省面积，省功耗全加器延迟主要由进位决定全加器设计的关键是进位问题A BS CinFA CoutBiBiBiBiBiBiBiBiAiAiAiAiAiAi AiAi C i-1C i-1C i-1C i-1C i-1!C i!SumA BC inFA C out静态互补CMOS 24＋4B iA iA iC i-1A A i i1A i A i 0C iS i NMOS传输门全加器CMOS 传输门全加器S i =(A i B i )C i-1+(A i B i )C i-1C i = (A iB i )C i-1+ (A iB i )A iC B A S C iiiii-1F1F2M1M2M3M4TG1TG2TG3TG4TG5TG6全加器中进位链的设计全加器ripple carry adders (RCA)减少进位延迟的全加器超前进位carry-lookaheadManchester(曼彻斯特进位链）跳跃进位skip carry选择进位select carry………….4 bit Ripple-carry Adder●简单省面积●太慢！超前进位Carry-lookahead 4 bit Carry-lookahead Adder进位的产生不需依赖前一级，可以直接由本位和最低位的进位获得Gi=AiBiPi=Ai XORBi ，与Ai+Bi 等价，与Ci 无关只产生Si 、Pi 、Gi可以加速进位，但如果超前的位数过多，则进位链过长，仍有速度问题，通常只超前4位。
分块超前进位的全Manchester(曼彻斯特进位链）Clk 为低，Mp 导通，对Ci 预充为高。
Clk 为高时求值。
Pi 为高时Ci ＝Ci-1Ki 为高时Ci 通过M2放电。
