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CMOS二输入与非门设计
《MOS管集成电路设计》期中论文
CMOS二输入与非门设计
日期：
2015年5月21日
目录
一电路设计
1.1与非门基础·····································3
1.2CMOS二输入与非门·····························4
二版图设计
2.1LASI7软件介绍·································5
2.2版图设计过程···································5
三规则检查·····································8
四LTspice仿真·································10
4.1电路仿真分析软件简介····················10
4.2LTspice仿真过程·······························11
五总结········································15
六参考文献····································15
摘要
MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管是一种金属-氧化物半导体硅场效应管，分为PMOS管和NMOS管两种，由NMOS和PMOS共同构成的电路即为CMOS电路。
和传统的TTL电路相比，MOS集成电路具有功耗较低，速度较快，输入阻抗高，热稳定性好等优点，因而在目前有着广泛的应有，可以预见的是，MOS集成电路代替TTL电路已是大势所趋。
与非门是一种数字电路的基本逻辑电路，可以看做是与门与非门的结合，若当输入均为高电平
（1），则输出为低电平（0）；若输入中至少有一个为低电平（0），则输出为高电平
（1），在数字电路中有着非常重要的作用。
本设计旨在采用CMOS设计一个二输入的与非门，根据需要，它由两个PMOS（M3和M4）和两个NMOS（M1和M2）构成。
其中，两个PMOS作为上拉管，两个NMOS作为下拉管，两个输入信号A和B分别加在两对互补的NMOS管和PMOS管的栅极上，输出从他们的漏极引出。
设计完之后，用LASI7软件画出版图并进行规则检查。
关键词：
CMOS、与非门、逻辑电路、LASI7
一电路设计
1.1与非门基础
与非门是数字电路中一种重要的逻辑电路，本设计设计的是二输入与非门，它有两个输入端和一个输出端，当输入均为高电平，输出为低电平；若输入中至少有一个为低电平，则输出为高电平，其逻辑符号如图1所示
图1二输入与非门逻辑符号
由于有两个输入，所以真值表中它的组合共有4种形式，如表1所示
A
B
F
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
表1二输入与非门真值表
1.2CMOS二输入与非门
二输入与非门的下拉管由串联的NMOS管M1和M2组成，上拉管则由并联的PMOS管的M3和M4构成。
两个输入信号A和B分别加在两对互补的NMOS管和PMOS管的栅极上，输出从他们的漏极引出。
当两个输入端A和B窦唯高电平时，两只NMOS下拉管M1和M2都导通，而两只PMOS上拉管M3和M4都截止，电源VDD和地之间没有电流通路形成，输出被导通的NMOS下拉管拉倒低电平0，则输出为低电平；只要两个输入端有低电平输入，其对应的PMOS上拉管导通，但NMOS下拉管截止，电源VDD到地之间没有电流通路形成，输出被导通的上拉管拉到VDD即输出高电平。
与真值表相对照，发现该电路实现了二输入与非门的功能。
用Multisim画出电路设计如图2所示
图2CMOS二输入与非门
二版图设计
2.1LASI7软件介绍
LASIS是一个通用的IC布线和设计系统。
LASI可以用于各种电路的设计和布线，LASI的图形功能很强，能够输入原理图并对其进行分析。
LASI由一个主要的画图主程序和几个工具程序组成。
包括GDS、CIF、DXF格式转换工具、位图格式的设计规则检查工具和一个能从原理图提取SPICE文件的图形化的SHPICE编译器。
LASI在80年代中被作者用来在MS-DOS下作为自己设计IC的软件，后来作者开发了WINDOWS下的LASI。
LASI本身不支持SPICE仿真，但是LASI能够与现有很好的SPICE仿真工具集成。
另外，LASI作为一个开放式的项目，相关的电路资源十分丰富。
2.2版图设计过程
完成了电路原理图设计之后，需要用LASI7进行版图的设计。
打开LASI7之后，首先要对各层属性进行设计，点击Attr按钮，在弹出的对话框中即可进行相关层属性的设置。
如图3所示
图3Attr界面
本设计对板层属性的设置如表2所示
Layer
Color
Fill
Dash
CONT
A
13
0
NWEL
W
0
3
NSEL
G
0
0
PSEL
Y
0
0
POLI
R
7
0
MET1
B
9
0
ACTV
G
3
0
表2板层属性设置
接下来设置栅格属性，打开Cnfg对话框进行设置，如图4所示
图4Cnfg设置
在设置完成之后，先新建一个cell，命名为NMOS，采用N掺杂，在该cell中画出NMOS，如图5所示。
在新建cell，命名为PMOS，采用P掺杂，N阱工艺画出PMOS，如图6所示。
图5NMOS版图图6PMOS版图
在画好了NMOS和PMOS之后，再新建一个cell，调出NMOS和PMOS画出最终需要的CMOS二输入与非门。
其中，电源部分采用N阱工艺，同时加入N掺杂，GND部分采用P掺杂。
如图7所示
图7CMOS二输入与非门
三规则检查
在设计好了版图之后，需要对相关的规则的进行检查。
点击System-LasiDrc-Setup-Browse，将规则导入，如图8所示，点击“OK”。
图8规则导入
导入完成后点击Go即开始检查，结果如图9和图10所示
图9规则检查过程
图10规则检查结果
从检查结果可以看出，本设计没有错误。
四LTspice仿真
4.1电路仿真分析软件简介
电路仿真（simulation）分析软件很多，有用于模拟电路的、有用于数字电路的、有既可以用于数字电路也可以用于模拟电路的，而且在这些软件中，有的功能非常强大，用户使用起来很方便、并且容易入手，而有些就要逊色多了，用户可以根据实际情况选择适合的。
LTspice是集成电路仿真分析软件其中之一，它是一个可视化的图形输入电路仿真软件，在windows操作系统下运行。
LinearTechnology公司是一家大型的美国电子元器件制造商，它生产各种各样电子元器件，有模拟电路元器件、有数字电路元器件等等。
LinearTechnologyCorporation的LTspice/SwitcherCAD是一款免费易用强大无限制的电路图编辑和仿真工具。
有spicenetlist导出功能（也可以导出标准spice之外的其他软件的网表格式），方便配合其它仿真工具。
4.2LTspice仿真过程
首先打开LTspice，新建一个原理图界面，找到相关的元器件画出二输入与非门的原理图，如图11所示。
同时，需要设计PMOS和NMOS的相关参数，这里讲PMOS和NMOS的长宽都设为0.18μ，如图12、13所示。
图11二输入与非门电路原理图
图12PMOS参数设定
图13NMOS参数设定
接下来新建一个符号界面，对电路原理图进行封装，如图14所示。
这里需要注意符号文件保存的名称要和原理图一致，否则仿真时软件将因为找不到底层文件而不能运行。
图14符号界面封装图
最后要给封装好的模块添加信号源。
新建一个原理图，找到封装模型，加入信号源。
设置相关的输入信号，仿真类型为仿真做准备。
如图15所示
图15仿真原理图
完成了以上内容之后就可以进行仿真验证了。
在这里，输入信号A是一个幅值为5V，周期为4ms，脉冲宽度为1ms，上升时间和下降时间都为0的方波，如图１６所示；输入信号Ｂ是一个幅值为５Ｖ，周期为４ms，脉冲宽度为３ms，上升周期和下降周期都为0的方波，如图１７所示。
并对它们选用３个周期进行仿真验证。
图17 信号A波形图
图18 信号B波形图
从中可以看出，虽然上升时间和下降时间以及延时时间都设为了0，但波形还是出现了明显地瑕疵。
点击F之后观察输出信号如图19所示。
图19输出波形图
从表1可以知道，与非门只有当输入信号都为1时输出才为0，其它组合下输出都为0，对比图17,18,19可以发现，仿真得到的结果与理论分析是吻合的。
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