集成电路课程设计
1.目的与任务
本课程设计是《集成电路分析与设计基础》的实践课程，其主要目的是使学生在熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础上，训练综合运用已掌握的知识，利用相关软件，初步熟悉和掌握集成电路芯片系统设计→电路设计及模拟→版图设计→版图验证等正向设计方法。2.设计题目与要求
2.1设计题目及其性能指标要求
器件名称：含两个2-4译码器的74HC139芯片
要求电路性能指标：
（1）可驱动10个LSTTL电路（相当于15pF电容负载）；
（2）输出高电平时，|I OH|≤20μA，V OH，min=4.4V；
（3）输出底电平时，|I OL|≤4mA，V OL，man=0.4V；
（4）输出级充放电时间t r=t f ，t pd＜25ns；
（5）工作电源5V，常温工作，工作频率f work=30MHz，总功耗P max＝150mW。
2.2设计要求
1.独立完成设计74HC139芯片的全过程；
2.设计时使用的工艺及设计规则： MOSIS:mhp_n12；
3.根据所用的工艺，选取合理的模型库；
4.选用以lambda(λ)为单位的设计规则；
5.全手工、层次化设计版图；
6.达到指导书提出的设计指标要求。
3.设计方法与计算
3.174HC139芯片简介
74HC139是包含两个2线-4线译码器的高速CMOS 数字电路集成芯片，能与TTL 集成电路芯片兼容，它的管脚图如图1所示，其逻辑真值表如表1所示：
图1 74HC139芯片管脚图 表1 74HC139真值表
片选 输入
数据输出 C s A 1 A 0 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1
×
×
1
1
1
1
计时只需分析其中一个2—4译码器即可，从真值表我们可以得出Cs 为片选端，当其为0时，芯片正常工作，当其为1时，芯片封锁。A1、A0为输入端，Y0-Y3为输出端，而且是低电平有效。 2—4译码器的逻辑表达式，如下所示：
01010A A C A A C Y s s ⋅⋅=++= 01011A A C A A C Y s s ⋅⋅=++=
01012A A C A A C Y s s ⋅⋅=++= 01013A A C A A C Y s s ⋅⋅=++=
74HC139的逻辑图如图2所示：
图2 74HC139逻辑图
3.2 电路设计
本次设计采用的是m12_20的模型库参数进行各级电路的尺寸计算，其参数如下：
NMOS: εox =3.9×8.85×10﹣12F/m μn =605.312×10﹣4㎡/Vs t ox =395×10﹣10m V tn =0.81056V
PMOS: εox =3.9×8.85×10﹣12F/m μp =219×10﹣4㎡/Vs t ox =395×10﹣10m V tp =﹣0.971428V 3.2.1 输出级电路设计
根据要求输出级电路等效电路图如图3所示，输入Vi 为前一级的输出，可认为是理想的输出，即V IL =Vss, V IH =V DD 。
图3 输出级电路
（1）输出级N管（W/L）N的计算
当输入为高电平时，输出为低电平，N管导通，且工作在线性区，而后级有较大的灌电流输入，要求|I OL|≤4mA，V OL，man=0.4V，根据NMOS管理想电流分方程分段表达式：
因此，
则，
(2) 输出级P管（W/L）P的计算
当输入为低电平时，输出为高电平，P管导通，且工作在线性区。同时要求N管和P管的充放电时间t r=t f ，分别求出这两个条件下的（W/L）P，min极限值，然后取大者。
1.以|I OH|≤20μA，V OH，min=4.4V为条件计算（W/L）P，min极限值：用PMOS
管的理想电流方程分段表达式：
因此,
则，
2.
N 管和P
管的充放电时间t r 和t f 表达式分别为
()()()⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎢⎣⎡--⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=dd tn dd tn dd tn dd dd tn n n ox ox L f V V V V V V V V V W L t C t 2019ln 1
1.022με
(
)
(
)
()
⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎢⎢⎣
⎡--⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=⋅dd tp
dd tp
dd tp dd dd tp p p ox ox L r V V V V V V V V V W L t C t 2019ln 11.022
με
令t r =t f 可以计算（W/l ）p,min 的值，计算过程如下：
计算得出：
则（W/L ）P =140
取其中的大值作为输出级P 管的尺寸，则（W/L ）P =140 3.2.2 部反相器中各MOS 管的尺寸计算
部基本反相器如图4所示，它的N 管和P 管尺寸依据充放电时间t r 和t f
方程来求。关键点是先求出式中C L （即负载）。
图4 部反相器
它的负载由以下三部分电容组成：①本级漏极的PN 结电容C PN ；②下级的栅电容C g ；③连线杂散电容C S 。 ① 本级漏极的PN 结电容C PN 的计算 C PN ＝C j ×（Wb ）+C jsw ×(2W+2b)
其中C j 是每um 2的结电容，C jsw 是每um 的周界电容，b 为有源区宽度，可从设计规则获取。如若最小孔为2λ×2λ，孔与多晶硅栅的最小间距为2λ，孔与有源区边界的最小间距为2，则取b ＝6λ。C j 和C jsw 可用相关公式计算，或从模型库选取，或用经验数据。其中采用的模型库参数如下所示：
25./109m F C N j -⨯= m F C N jsw /1025.510.-⨯= 24./10033.2m F C P j -⨯= m F C P jsw /10310.-⨯= 总的漏极PN 结电容应是N 管和P 管的总和，即：
注意：此处W N 和W P 都为国际单位 ② 栅电容Cg 的计算
