非门与非门或非门地电路结构与仿真.docx

1、非门与非门或非门地电路结构与仿真实验二 非门、与非门、或非门的电路结构与仿真班级xxxx 姓名 xx 学号xxxxxxxx 指导老师一、实验目的1、掌握基本组合逻辑电路结构及相关特性；2、进一步熟练Hspice等工具；二、实验内容及要求1、设计反相器电路；2、设计出2输入与非门、或非门并仿真；实验结果及要求：（1）、确定反相器电路每个晶体管尺寸；（2）、绘制出反相器电压传输特性；（3）、确定与非门、或非门各个管子的尺寸；三、实验原理1.反相器：（1）组成：一个增强型NMOS管和一个增强型PMOS管相连接而组成的；下方的NMOS 管的衬底（P型硅）都接地，而PMOS管衬底（N型硅）都接Vdd，这

2、种对衬底的偏置方式可以避免源，漏区和衬底形成的PN结正偏，防止寄生效应。（2）结构：CMOS反相器中输入端直接连接在NMOS管和PMOS管的栅极上，输入端引入的输入电平会直接影响NMOS管和PMOS管的工作状态。而NMOS管和PMOS管的漏极则相互连接起来，构成了输出端，对外提供输出电平（Vout）.注意：反相器的输出端并不是孤立的节点，而是连接有负载电容。 ( 3 )在CMOS反相器中，NMOS管和PMOS管的栅源电压和漏源电压与输入，输出电平的关系为：V(GSN)= V(in);V(DSN)=V(out)V(GSP)=V(in)-V(DD);V(DSP)=V(out)-V(DD);备注：G

3、为栅极，S为源极，D为漏极。 (5)反相器的工作原理：静态工作的CMOS反相器，当输入为逻辑值“0”时（V（in）= 0V）,NMOS管的接地端为源极，NMOS管上的栅源电压为0V,而PMOS管接V（DD）的是源极，PMOS管的栅源电压为-V(DD).这就使得NMOS管处于截止状态而PMOS管处于导通状态；通过导通的PMOS管，在电源电压V(DD)与输出端连接的负载电容之间建立起了导电通路。可以将负载电容充电到V（DD）,使得输出的逻辑值变为“1”；当输入为逻辑值“1”时（此时的输入电平为V（DD）,即V(in)=V(DD)）,由于PMOS管的栅源电压为0V,而NMOS管的栅源电压为V(DD)

4、,使得PMOS管处于截止状态而NMOS管处于导通状态，这样就在负载电容与地电极之间通过NMOS管建立起了导电通路，使得负载电容被放电到0V，这就使输出逻辑值变为“0”。（6）反相器的直流电压传输特性：当输入电压处于0-VDD之间，此时的输出电平将随着输入电平的不同而发生变化，此时输入电平与输出电平的关系就是直流电压传输特性。（7）电路的直流噪声容限：在实际电路电路参数的设计中，允许电路的输入电平在一定的范围之内，在此变化范围内可以保证电路输出电平在逻辑上仍然是正确的。电路中允许的输入电平变化范围称为电路的直流噪声容限。（8）采用对称设计的CMOS反相器有相同的输入高电平和输出低电平的噪声容限。

5、最大噪声容限V(it),V(in)V(it),V(out)V(it),则V(out)V(it).2.两输入与非门:(1).逻辑功能： =C,其中A,B均为输入，C为输出。(2).原理：当两个输入信号A,B都是低电平（即逻辑1）时，2个NMOS管都截止，2个PMOS管都导通，上拉开关都接通，下拉开关都断开，因此输出必然是高电平Vdd。同理可得，输出为低电平的情况。3.两输入或非门： (1)逻辑功能： =C (2) 原理：只有当两个输入信号A和B都是低电平时，2个NMOS管都截止，2个串联的PMOS管都导通，才能使下拉开关都断开，上拉开关都接通，形成上拉通路，使输出为高电平。同理可得，输出为低电平

6、的情况。四、实验方法与步骤实验方法：计算机平台：Asus A450C (inter Core i5-3337U 1.8GHz)软件仿真平台：操作系统（windows 7或者windows XP），软件（Hpice）实验步骤：1.设计反相器的实验步骤：（1）编写源代码。在记事本编辑器上编写反相器描述代码。并以.sp文件扩展名存储文件。 (2) 打开Hspice软件平台，点击open按钮，然后在系统文件中找到反相器的.sp文件，加入到当前选项。点击“simulate”,仿真后进行编译Edit LL. (3)编译运行通过后。点击Avanwaves; (4)查看输出特性曲线；2.设计二输入与非门的实验

7、步骤；（1）编写源代码。在记事本编辑器上编写二输入与非门描述代码。并以.sp文件扩展名存储文件。 (2) 打开Hspice软件平台，点击open按钮，然后在系统文件中找到二输入与非门的.sp文件，加入到当前选项。点击“simulate”,仿真后进行编译Edit LL. (3)编译运行通过后。点击Avanwaves; (4)查看输出特性曲线；3.设计二输入或非门：（1）编写源代码。在记事本编辑器上编写二输入或非门描述代码。并以.sp文件扩展名存储文件。 (2) 打开Hspice软件平台，点击open按钮，然后在系统文件中找到二输入或非门的.sp文件，加入到当前选项。点击“simulate”,仿真

8、后进行编译Edit LL. (3)编译运行通过后。点击Avanwaves; (4)查看输出特性曲线；5、实验仿真结果及其分析反相器：1、 仿真过程1）代码： *Sample netlist for GSMC.TEMP 25.0000.param wn=1u wp=0.28u Lmin=0.28u vdd=3.6v.libgd018.1TT.option postvdd vcc 0 dc vdd*-Voltage Sources-*-Inverter Subcircuit-M1 n2 n1 vcc vcc PCH w=wp L=LminM2 n2 n1 0 0 NCH w=wn L=LminC1

9、 n2 0 10pvs n1 0*-Transient Analysis-.dc vs 0 vdd 0.01.print dc v(n2) I(m2).alter.param wp = 1u .alter.param wp = 3u .alter.param wp = 9u .alter.param wp = 27u .end2）编译或调试过程（中间出现的情况与结果）写入gd018库文件：.lib gd018.l TT1和l输入搞混，导致编译无法通过。2、 仿真结果及分析1) 仿真结果2) 仿真结果分析其中橙色曲线为输出曲线；由图可知：V(TN)=500mV , V(it)=1V , V(DD

10、)=2.5V;两输入与非门：1.仿真过程：（1）代码：*Sample netlist for GSMC.TEMP 25.0000.param wn=30u wp=30u Lmin=6u vdd=3.6v.libgd018.1TT.option postvdd vcc 0 dc vdd*-Voltage Sources-*-Inverter Subcircuit-Mp1 n3 n2 vcc vcc PCH w=wp L=LminMp2 n3 n1 vcc vcc PCH w=wp L=LminMn1 n3 n1 n4 0 NCH w=wn L=LminMn2 n4 n2 0 0 NCH w=wn

11、 L=Lminvs n1 0 dc=5vvd n2 0 dc=5v*-Transient Analysis-.dc vs 0 vdd 0.01 vd 0 vdd vdd.print v(n3) .end（2）编译或调试过程（中间出现的情况与结果）编译调试均正常；2.仿真结果及分析（1）仿真结果：（2）仿真结果分析：图中红绿两条直线各自表示两个输入端电压变化曲线，蓝色曲线表示反相器的输出曲线，最下方绿色的曲线是两输入与非门的输出曲线。可以看出当两个输入端的电压值在不断上升，随着输入端电压的上升，与非门输出曲线从低电平向高电平过渡。两输入或非门：1.仿真过程：（1）代码：*Sample netli

12、st for GSMC.TEMP 25.0000.param wn=30u wp=30u Lmin=6u vdd=3.6v.libgd018.1TT.option postvdd vcc 0 dc vdd*-Voltage Sources-*-Inverter Subcircuit-Mp1 vcc n1 n4 vcc PCH w=wp L=LminMp2 n4 n2 n3 n4 PCH w=wp L=LminMn1 n3 n1 0 0 NCH w=wn L=LminMn2 n3 n2 0 0 NCH w=wn L=LminC1 n3 0 0.1pvs n1 0 vd n2 0 *-Transi

13、ent Analysis-.dc vs 0 vdd 0.01 vd 0 vdd vdd.print v(n3) .end*Sample netlist for GSMC.TEMP 25.0000.param wn=30u wp=30u Lmin=6u vdd=3.6v.lib gd018.1TT.option postvdd vcc 0 dc vdd*-Voltage Sources-*-Inverter Subcircuit-Mp1 n3 n2 vcc vcc PCH w=wp L=LminMp2 n3 n1 vcc vcc PCH w=wp L=LminMn1 n3 n1 n4 0 NCH

14、 w=wn L=LminMn2 n4 n2 0 0 NCH w=wn L=Lminvs n1 0 dc=5vvd n2 0 dc=5v*-Transient Analysis-.dc vs 0 vdd 0.01 vd 0 vdd vdd.print v(n3) .end*Sample netlist for GSMC.TEMP 25.0000.param wn=30u wp=30u Lmin=6u vdd=3.6v.lib gd018.1TT.option postvdd vcc 0 dc vdd*-Voltage Sources-*-Inverter Subcircuit-Mp1 vcc n

15、1 n4 vcc PCH w=wp L=LminMp2 n4 n2 n3 n4 PCH w=wp L=LminMn1 n3 n1 0 0 NCH w=wn L=LminMn2 n3 n2 0 0 NCH w=wn L=LminC1 n3 0 0.1pvs n1 0 vd n2 0 *-Transient Analysis-.dc vs 0 vdd 0.01 vd 0 vdd vdd.print v(n3) .end（2）编译或调试过程编译调试过程正常，无差错；2.仿真结果及分析：（1）仿真结果：（2）仿真结果分析：图中的蓝色，绿色曲线均为输入曲线，红色为输出曲线；由图可知：输入曲线中只要有高电平的出现，输出结果就为低电平；输入曲线若均处于低电平范围内，则输出结果为高电平。6、实验结论通过研究反相器的电压特性曲线，我们可以使用NMOS和PMOS晶体管设计出与非门，或非门等门电路。七、实验心得Hspice的优点是将输入和输出信号，部分器件和整体逻辑电路的特性曲线都体现在一个坐标轴上。