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数字集成电路设计 第五章 5.5

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大学电子电路基础 第五章

大学电子电路基础 第五章

例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍 数的表达式。
解： 根据虚断 I-= I+ 0
根据虚短 V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 If = (V-－ Vo )/Rf -Vo/Rf ∵Ii If ∴ Vi/R1=-Vo/Rf
反相比例运算电路
II+
电压增益 Avf= Vo /Vi =－Rf /R1

rbe
差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 Rid是基本放大电路的两倍。
Rid 2Rs rbe
输出电阻
单端输出时， 双端输出时，
Ro Rc Ro 2Rc
5.3 集成运算放大器内部电路结构
5.3.1集成运算放大器的基本单元电路
1.电 流 源 电路
特点：输出电流恒定，它具有很高的输出电阻。 （1）、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒 流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 （2）、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 （3）、电流源电路一般都加有电流负反馈， （4）、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电 路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。
Aoc1越小，抑制共模信号的能力越强。
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
K CMR
K CMR
Aod Aoc
Aod dB 20 lg Aoc
(1) 双端输出时KCMR为无穷大
K
CMR

A A
od
oc

（2）单端输出时共模抑制比 re
K
CMR

第5章数字逻辑电路.ppt

第5章数字逻辑电路.ppt

（2）逻辑关系式表示：F=A·B·C
（3）真值表表示：如图表5-1所示
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5.4 基本逻辑门电路
2.“或”逻辑关系 当决定事件的各个条件中只要有一个或一个以上具备时事件就
会发生 图5-10所示，F和A、B、C之间就存在“或”逻辑关系 “或”逻辑也有如上三种表示方法： （1）图5-11所示为“或”逻辑图形符号 （2）逻辑表达式：F=A+B+C （3）真值表：见表5-2
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5.2 数制
5.2.2 二进制数
二进制数只有0和1两个符号。只要能区分两种状态的元件即 可实现。
计数的基数为2，各位数的权是2的幂，计数规律是“逢二进 一”
N位二进制整数的表达示为：
例5.1 一个二进制数10101000， 试求对应的十进制数
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5.2 数制
图5-23是利用三态与非门组成的双向传输通路，改变控制端C 的电平，就可控制信号的传输方向。
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5.4 基本逻辑门电路
3. CMOS门电路 CMOS门电路是由PMOS管和NMOS管构成的一种互补对称场效
应管集成门电路。 下面是几种常用的CMOS门电路的结构和工作原理的简要说明 （1）CMOS与非门：如图5-24所示 当A、B全为1时，T1和T2同时导通，T3和T4同时截止，F=0 当输入端由一个或全为0时，串联的T1和T2必有一个或两个全部截
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5.4 基本逻辑门电路
（5）TTL三态输出与非门电路。简称三态门，图5-20是其逻辑 图形符号。A、B是输入端，C是控制端，F为输出端。输出端除 了可以实现高低电平外，还可以出现高阻状态。

第五章数字集成电路(基础)

第五章数字集成电路(基础)
第五章 数字集成电路
(基础）
上海大学 自动化系 林小玲
§5.1 数字电路的基础知识

数字信号与模拟信号 数制


码制
逻辑代收基础
§5.1.1 数字信号与模拟信号
模拟电路
电子电路
信号与时间的关系连续
数字电路
电 子 技 术
信号与时间的关系离散
电子器件
分立元件电路 电子电路 集成电路 电子系统
end
§5.1.3
二进制码
码制：用某组代码形象地表示某数的实际值或者表 示某个文字符号。
1. 二 - 十进制码 (BCD码)( Binary Coded Decimal codes) 用四位二进制代码来表示一位十进制数码,这样的代码称为二-
十进制码,或BCD码.
四位二进制有16种不同的组合,可以在这16种代码中任选10种表 示十进制数的10个不同符号,选择方法很多.选择方法不同,就能得
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
②二进制数转换为八进制数
方法：
以小数点为基准，分别向左和向右每3位划为一组，
不足3位补0（整数部分补在前面，小数部分补 在后面），每一组用其对应的八进制数代替。
例：
（11110. 01）B = （011’110. 010）B = （3 6. 2）O 7 5 . 1）O
加，即可得到所代表的十进制数
常用BCD码
十进制数 0 8421码 0000 5421码 0000 2421码 0000 余3码 0011
1
2 3 4 5 6
0001
0010 0011 0100 0101 0110
0001
0010 0011 0100 1000 1001

第5章+数字集成电路系统设计

第5章+数字集成电路系统设计

N=M×RE
(5 - 8)
式中：M（Mantissa）——浮点数的尾数；
R（Radix）——浮点数中阶的基数；
E（Exponent）——浮点数中阶的阶码。
第五章 数字集成电路系统设计
计算机中规定， 基数R一般为2、 8或16， 在实际 应用中主要为2。 由于该R为固定值， 所以不需要在浮 点数中明确地表示出来。 因此, 要表示浮点数， 必须 满足以下条件：
结果除了本位的和（Sum）之外， 还可能向上一位产 生进位（Carry）。 这样一来， 在多位加法运算中， 高位数值相加时， 不但要考虑本位数的运算， 还必须
考虑下一位运算向本位产生的进位。 全加器就是完成
此功能的运算部件， 一位全加器真值表如表 5-2 所列。
第五章 数字集成电路系统设计
表 5 - 2 一位全加器真值表
第五章 数字集成电路系统设计
1. 行波进位加法器（Ripple Carry Adder） 将n个一位全加器以图 5 - 2所示的形式连接在一起 （最低位可使用一位半加器）， 就构成了一个n位行波 进位加法器。 该加法器每一位的进位输入均由相邻的 低位送来， 在最高位（n-1）得到最后的进位输出 Carry， 输出的和(Sum)则从各个相应位取得。
第五章 数字集成电路系统设计
移码具有如下性质： ·最高位为符号位， 其取值与原码和补码相反， 即1表示正数， 0表示负数。 ·对移码一般只进行加/减运算， 运算完成后需要 对所得结果加以修正， 修正量为2n， 即要对符号位的 结果求反后才是移码形式的最终结果。
第五章 数字集成电路系统设计
(3) 浮点数的符号位Ms， 0表示正数， 1表示负数。 浮点数的格式如下：
第五章 数字集成电路系统设计

数电新5章大规模数字集成电路优秀课件

数电新5章大规模数字集成电路优秀课件
把四位二进制码作2716的低四位地址输入，同时将四位格雷码作为 对应地址的内容写入到2716中，这样便可实现二者之间的转换关系
二进制码
B3 B2 B1 B0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
集成电子技术基础教程
常用大规模数字集成电路
半导体存储器 微处理器 大规模可编程逻辑器件 大规模专用数字集成电路 （ASIC）
数电新5章大规模数字集成电路优
秀课件
1
集成电子技术基础教程
2．5．1随机存取存储器（RAM）
存储大量二进制信息的器件
❖软磁盘 ❖硬磁盘 ❖磁带机 ❖光盘 ❖半导体存储器
列地址译码器
An-1
行
An-2
地 址
译
码
A0
器
…… …… ……
…… …… I/O及读写控制
数据输入/输出 片选
I/O控制
存储体
j列 i行
存储单元
存储单元（1位） j列
i行
存储单元（多位，4位）
数电新5章大规模数字集成电路优
秀课件
5
集成电子技术基础教程
存储体或RAM的容量
❖存储单元的个数*每个存储单元中数据的位数
❖例如，一个10位地址的RAM，共有210个存储单元，若 每个存储单元存放一位二进制信息，则该RAM的容量就 是210（字）×1（位）=1024字位，通常称1K字位。
I/O缓冲
❖I/O缓冲起数据锁存作用，一般采用三态输出结构。 因此，它可与外面的数据总线相连接，方便实现信息 交换和传递
数电新5章大规模数字集成电路优

《数字集成电路设计》PPT课件

《数字集成电路设计》PPT课件

② x和z值 在数字电路中，x代表不定值，z代表高阻值。 例如： 8’b1001xxxx 表示位宽8的二进制数第四位为不定值。
ⅱ. Parameter常数
在Verilog中，用parameter定义一个标识符代表一个常量，称为符 号常量。采用标识符代表一个常量可提高程序的可读性和可维护 性。其定义结构如下：
Verilog HDL程序模块包括模块名、输入输出端口说明、 内部信号说明、逻辑功能定义等几部分。
程序模板如下：
module <模块名>(<输入、输出模块列表>); /*端口描述*/ input <输入端口列表>; output <输出端口列表>;
/*内部信号说明*/ wire //nets型变量 reg //register变量 integer //常数
位运算是对两个操作数相应位进行运算操作数的位数是不变的而缩减运算时针对单个操作数先将操作数的第一位于第二位进行运算再将结果与第三位进行运算以此类推直到最后一位其结果是一个一位二进制数
数字集成电路设计
FPGA结构与设计流程
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵 列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，即 解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
wire[n:1] 变量名1，变量名2，……，变量名n；
ⅱ. register型变量
register型变量对应于具有状态保持作用的电路元件，如触发器，锁 存器等。它只有明确地赋值后才能对其他变量赋值，重新赋值前一 直保持原值。在设计中，此类变量必须放在块语句(always语句)中， 通过过程语句赋值。同一个register型变量只能在一个块语句中重复 赋值，而不能同时在多个块语句中重复赋值使用。register型变量包 括reg型和integer型。

数字电路--触发器原理


2、CP＝1时跟随，下降沿到来时才锁存， 锁存的内容是CP下降沿瞬间D的值。
D (b) CP 符号
(二)工作原理：
(a)
将S=D、R=D代入同步SR触发器的特性方程，得D锁存器的特性方程：
Q* S RQ = D+ DQ = D
CP=1期间有效
第五章
• §5.1 概述
• §5.2 SR 锁存器ne NhomakorabeatQ
0
1
Q
S
R
Q 0
1
& &
0
S
1
0
R
①R=0、S=1时：由于R=0，不论原来Q为0还是1，都有Q=1； 再由S=1、Q=1可得Q＝0。即不论锁存器原来处于什么状态都 将变成0状态，这种情况称将锁存器置0或复位。 R端称为置0端或复位端。
ok
Q
1
0
Q
S 1
R 0
Q 0 1
&
&
0
1
S
0
1
R
②R=1、S=0时：由于S=0，不论原来Q为0还是1，都有Q=1； 再由R=1、Q=1可得Q＝0。即不论锁存器原来处于什么状态都 将变成1状态，这种情况称将锁存器置1或置位。
Q* Q
Q* 0
保持 置0 置1
特 性 表
0 0 1 1 1 1
Q* 1
Q* Q
翻转
主要特点
①主从JK触发器采用主从控制结构，从根本上解决了输入信号直 接控制的问题，具有CP＝1期间接收输入信号，CP下降沿到来 时触发翻转的特点。 ②输入信号J、K之间没有约束。 ③存在一次变化问题。
二、触发器的两个基本特点： 1.具有两个稳定状态—0状态和1状态 2.能够接收、保存和输出信号

数字集成电路基本模块设计


（2）高、低电平的电压规范（常见）
种类 TTL ELC MOS
VCC(V) VIL(V) VIH(V)
5.0
0.8
2.0
-5.2 -1.5 -1.1
无标准
2、逻辑扇出特性 定义电路与之连接的全同反相器负载
的数目为电路的扇出。电路能驱动最多的 全同反相器的数目，称为最大扇出数。
3、数字逻辑分析
基本电子电路提供或非（NOR）、与非 （NAND）。
L3
W3 W3 8
L1
L2
W1
W2
参考反相器的尺寸规则为k：1，（在此k=4）， 则N个输入的与非门的尺寸规则应当是Nk：1。
3、多输入与非和或非逻辑电路
（1）受输入或非门得到广泛应用，其器件尺寸， 遵循k：1尺寸设计规则，那么它的VH和VL电平值 与以此比例设计的参考反相器相同。
（2）多输入与非门，由于器件尺寸为，这样 做是为了保证足够低的低电平，但此尺寸比例的增 加导致面积增加，开关速度降低。
二、逻辑门信号传输延迟特性（一） （带动的负载是单一的完全相同的逻辑门而且其内 部互连最短。） 1、有比率逻辑电路模型 （1）信号传输延迟
2）为了节约硅片面积，不论是上拉亦 或下拉晶体管往往都采用最小尺MOS与非逻辑门 （1）电路：
（2）工作原理：
Y ab
（3）输出驱动特性：
在与非门电路中，接地 的串联通路使用的是n沟 道晶体管，而接VDD 的并联通路用了p沟晶体管。根据最小尺寸晶体管 的原则以及n沟道器件的跨导优于p沟道器件，两个 n沟道晶体管的串联到地的阻抗与一个接VDD的p沟 道上拉通路的阻抗大致相同。
第五章 数字电路基本模块
第一节 基本概念
1、标准逻辑电平 （1）工作状态：数字电路有两个工作 稳定的状态，每个输入和输出都处于两 种状态之一。这两种状态通常被分别称 为高电平和低电平状态，或者0和1状态。 因为电路的输出一般是电压，所以这两 种状态用VIH和VIL两个电压域值表示， 且VIH >VIL。VIH被称为高逻辑阈，VIL 被称为低逻辑阈。

清华大学《数字集成电路设计》周润德 第5章 CMOS反相器

第五章 CMOS 反相器 第一节 对逻辑门的基本要求（1）鲁棒性（用静态或稳态行为来表示）静态特性常常用电压传输特性（VTC）来表示（即输出与输入的关系）， 传输特性上具有一些重要的特征点。

逻辑门的功能会因制造过程的差异而偏离设计的期望值。

V(y) 电压传输特性（直流工作特性）VOH fV(y)=V(x)VM开关阈值VOL VOL VOHVOH = f(VOL) VOL = f(VOH) VM = f(VM)V(x)额定电平2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第1页（2）噪声容限：芯片内外的噪声会使电路的响应偏离设计的期望值 （电感、电容耦合，电源与地线的噪声）。

一个门对于噪声的敏感程度由噪声容限表示。

可靠性―数字集成电路中的噪声v(t) i(t)V DD电感耦合电容耦合电源线与地线噪声噪声来源： （1）串扰 （2）电源与地线噪声 （3）干扰 （4）失调 应当区分： （1）固定噪声源 （2）比例噪声源 浮空节点比由低阻抗电压源驱动的节点更易受干扰 设计时总的噪声容限分配给所预见的噪声源2004-9-29 清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德 第5章第2页噪声容限（Noise Margin）V“1” V OH V IHout OH 斜率 = -1V不确定区 斜率 = -1ILV “0” VVOLOL V IL V IH V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第3页噪声容限定义"1"噪声容限（Noise Margin） 容许噪声的限度V IH高电平 噪声容限VOHNM H未定义区 低电平 噪声容限V OL "0" NM L V IL抗噪声能力（Noise Immunity） 抑止噪声的能力门输出门输入2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第4页理想逻辑门V outg=∞Ri = ∞ Ro = 0 Fanout = ∞ NMH = NML = VDD/2V in2004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第5页早期的逻辑门5.0 4.0 3.0 2.0 VM 1.0 NM H NM L0.01.02.03.0 V in (V)4.05.02004-9-29清华大学微电子所《数字大规模集成电路》 周润德第5章第6页（3） “再生”特性：逻辑门的“再生”特性使被干扰的信号能恢复到名义 的逻辑电平。

《数字集成电路设计》课件

加法器和减法器
深入研究加法器和减法器的原理，了解如何进行数字的加法和减法运算。
贝叶斯定理在电路设计中的应 用
介绍贝叶斯定理在电路设计中的应用场景，讲解如何利用先验知识和观测结 果进行后验概率的计算。
层级与模块化设计
层级设计
了解层级设计的原理和方法，掌握如何将复杂的电 路分解为多个模块进行设计和测试。
仿真实例
通过案例分析和实际仿真实例，加深对 电路仿真工具和流程的理解和应用。
计算机辅助设计方法与工具介 绍
介绍计算机辅助设计的基本原理和方法，以及常用的电路设计工具，包括EDA 软件和硬件描述语言。
引言
数字集成电路设计是现代信息技术的关键领域，本课程将深入探讨数字电路 设计的理论和实践，为学生打下坚实的基础。
逻辑门与布尔代数
了解常用逻辑门的工作原理，掌握布尔代数的基本概念和运算规则，为后续的电路设计奠定基础。
时序逻辑电路设计基础
1
触发器和计数器
2
深入研究各种触发器和计数器的原理和
应用，掌握时序逻辑电路的设计技巧。
《数字集成电路设计》PPT课件
数字集成电路设计PPT课件大纲： 1. 引言 2. 逻辑门与布尔代数 3. 时序逻辑电路设计基础 4. 组合逻辑电路设计 5. 贝叶斯定理在电路设计中的应用 6. 层级与模块化设计 7. 电路仿真工具与流程 8. 计算机辅助设计方法与工具介绍 9. 电路优化与验证 10. 技术与制造工艺介绍 11. 功耗优化与电源管理 12. 嵌入式系统设计基础 13. CPU架构设计基础 14. SOC（系统片上集成电路）设计基础 15. 集成电路测试方法与介绍
模块化设计
学习模块化设计的思想和技术，掌握如何将多个模 块进行组合，实现复杂功能的集成电路设计。
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栅漏电容Cgd12 扩散电容Cdb1和Cdb2 连线电容Cw 扇出的栅电容Cg3 和Cg4
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
• 栅漏电容Cgd12 在输出过渡的前半部，M1和M2不是断开就是处在饱和模式，
Cgd12只包括M1和M2的覆盖电容，沟道电容不起作用(处于栅-体 或栅-源之间)。
CL
表达式
值 fF（H→L） 值 fF（L→H）
2CGDOnWn
0.23
2CGDOpWp
3 fF 0.61
KeqnADnCj+KeqswnPDnCjsw
0.66
KeqpADpCj+KeqswpPDpCjsw
1.5
CGDOnWn+CGSOnWn+COXWnLn
3.16 fF
CGDOpWp+CGSOpWp+COXWpLp
差，但该简化对逻辑延时没有明显的影响。例5.3 P20-Pic1.19
• 连线电容
由连线引起的电容取决于连线的长度和宽度，并且与扇出
离开驱动门的距离和扇出门的数目有关。
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Inverter
• 扇出的栅电容Cg3和Cg4
Cfan-out=Cgate(NMOS)+Cgate(PMOS)
0.76 2.28
提取参数
0.12
0.23
0.61 2.89 fF
0.90 1.15 0.76
3.16 fF
2.28 0.12
6.16
6.05
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
5.4.2 传播延时：一阶分析
VDD
t p
v2 CL (v)dv v1 i(v)
例3.8 MOS管平均导通电阻Req
VDD
Vout
CL
Req
一阶线性RC电路
Vin = VDD © Digital Integrated Circuits2nd
tpHL = f(Req.CL)
= 0.69 ReqCL
Inverter
延时
由一个电压阶跃激励时，电路的传播延时正比于这个电路的下 拉电阻和负载电容形成的时间常数
CGSOn CGDOn Wn LnCox CGSOp CGDOp Wp LpCox
在两方面进行简化： 1. 它假设栅电容的所有部分都连在Vout和GND(VDD)之间，并
忽略了栅漏电容上的密勒效应（对精度影响较小）。 2. 近似认为所连接门的沟道电容在我们所关注的时间内保持不
变。（工作状态差异：Pic3.31）忽略电容的这一变化会使估 计值产生大约10％的误差，但对一阶分析是可以接受的。
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
电容
表达式
值 fF（H→L） 值 fF（L→H）
Cgd1 Cgd2 Cdb1 Cdb2 Cg3 Cg4 Cw
2CGDOnWn
0.23
2CGDOpWp
3 fF 0.61
KeqnADnCj+KeqswnPDnCjsw
0.66
CL和i是v的非线性函数
CMOS Inverter Propagation Delay: Approach 1
Vout
Iav
CL
tpHL= C
Vswing/2 Iav
Vin = VDD © Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
CMOS Inverter Propagation Delay: Approach 2
5.4 动态特性:
传输延迟
反相器传播延时取决于它分 别通过PMOS和NMOS管充电和放 电负载电容所需要的时间。
使 CL 尽 可 能 小 是 实 现 高 性 能 CMOS电路的关键。
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
5.4.1. 计算电容值
非线性导致计算复杂 — 假设所有的电容一起集总成一个单 个的电容CL，位于Vout和GND之间 P141- Fig 5.13 Vin理想电压源驱动，CL包括：
集总电容模型要求用接地电容来代替浮空的栅漏电容，通过
密勒效应实现：一个在其两端经历大小相同但相位相反的电压
摆幅的电容可以用一个两倍于该电容值的接地电容代替。
P141- Fig 5.14
Cgd=2Cgd0W
© Digital Integr扩散电容Cdb1和Cdb2 漏和体之间的电容来自反向偏置的pn结。这样的电容是高
度非线性的，并且在很大程度上取决于所加的电压。
可用一个线性电容来代替非线性电容，使这个线性电容在
所关注的电压范围内变化与非线性电容相同。
Ceq = KeqCj0 （零偏结电容）
Keq
0m
Vhigh Vlow
1 m
0 Vhigh 1m 0 Vhigh 1m
结电容用一个线性电容来代替，电压和电流波形有微小误
例5.4
本征电容：由扩散电容和覆盖电容组成 外部负载电容：由导线和所连接的门组成
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
CMOS Inverters 本征电容=外部负载电容 Cgd1+Cgd2+Cdb1+Cdb2=Cg3+Cg4+Cw
VDD
PMOS 9l/2l
KeqpADpCj+KeqswpPDpCjsw
1.5
CGDOnWn+CGSOnWn+COXWnLn
3.16 fF
CGDOpWp+CGSOpWp+COXWpLp
0.76 2.28
提取参数
0.12
0.23
0.61 2.89 fF
t pHL ln(2)ReqnCL 0.69 ReqnCL
由低至高的传播延时
t pLH ln(2)ReqpCL 0.69 ReqpCL
这一分析假设等效的负载电容对于由高至低及由低至高的翻转
近似相同
tp = 0.69 CL (Reqn+Reqp)/2
相同的上升/下降延时可通过 使（Reqn=Reqp）实现
5+5+9=19 λ 5×9 λ2
0.25 mm =2l
Out
In
Metal1 42 λ2
Polysilicon
4×4 λ2
NMOS 3l/2l
3×1 λ2 GND 5+4+4+1+1=15 λ
© Digital Integrated Circuits2nd
Inverter
电容 Cgd1 Cgd2 Cdb1 Cdb2 Cg3 Cg4 Cw