基于Protues的靜態(tài)CMOS邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真

錢香　李麗萍

摘? ?要：微電子學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及學(xué)習(xí)興趣，在課程中加入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。靜態(tài)CMOS邏輯電路是集成電路中常用的邏輯電路。本文介紹了Protues軟件在集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用，通過實(shí)例講解如何用Protues軟件進(jìn)行靜態(tài)CMOS邏輯電路的設(shè)計(jì)與仿真。學(xué)生通過軟件設(shè)計(jì)并仿真電路，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：集成電路? CMOS? Protues? 表決器

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（b）-0104-02

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。《中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書（2018-2019年版）》數(shù)據(jù)顯示我國(guó)集成電路人才的缺口較大，預(yù)計(jì)到2021年存在26.1萬(wàn)人的缺口[1]。無(wú)錫被公認(rèn)為是中國(guó)的“硅谷”，微電子企業(yè)較多，可是并不是每個(gè)高職院校都開設(shè)了微電子技術(shù)專業(yè)，微電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了企業(yè)的需求。對(duì)非微電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)微電子學(xué)相關(guān)課程一方面可以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，另一方面可以讓將來從事微電子工作的學(xué)生更快適應(yīng)工作。

微電子學(xué)是一門理論性較強(qiáng)的學(xué)科，講解專業(yè)知識(shí)時(shí)比較枯燥，學(xué)生容易缺乏興趣，且不容易理解。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及學(xué)習(xí)興趣，在課程中加入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。其中集成電路設(shè)計(jì)一般使用Cadence軟件，學(xué)生必須到實(shí)驗(yàn)室才能使用，且入門稍難。對(duì)于非微電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生來說，可以用Protues軟件來進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)。Protues軟件中的元器件種類多、電子儀器多、仿真分析豐富，且在電子專業(yè)課程中使用較多，學(xué)生相對(duì)熟悉容易完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。下面介紹用Protues軟件設(shè)計(jì)并仿真集成電路設(shè)計(jì)中的靜態(tài)CMOS邏輯電路的方法。

1? 靜態(tài)CMOS邏輯電路的構(gòu)成方法

CMOS反相器是靜態(tài)CMOS邏輯電路的基本單元之一[2]。無(wú)論輸入高電平還是低電平，電路中只有一個(gè)MOS管導(dǎo)通，電源到地沒有直流通路，所以電路只有由于PN結(jié)漏電和MOS管的亞閾值漏電產(chǎn)生的很低的靜態(tài)功耗。

靜態(tài)CMOS邏輯電路是在CMOS反相器的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，用NMOS邏輯塊代替反相器中的NMOS管，用PMOS邏輯塊代替反相器中的PMOS管，如圖1所示[3]。NMOS邏輯塊的構(gòu)成規(guī)律是“串與并或”，PMOS邏輯的構(gòu)成規(guī)律是“串或并與”。靜態(tài)CMOS邏輯電路類似于CMOS反相器，輸出執(zhí)行反相的邏輯功能。在一定的輸入信號(hào)下，NMOS和PMOS邏輯塊中只有一個(gè)邏輯塊導(dǎo)通，另一個(gè)邏輯塊截止。

2? 靜態(tài)CMOS電路設(shè)計(jì)

以數(shù)字電子技術(shù)中常見的三人表決器電路為例，講解如何用靜態(tài)CMOS邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。三人的表決意見分別用A、B、C表示，同意用1表示，反對(duì)用0表示;表決結(jié)果用Y表示，表決通過用1表示，不通過用0表示。根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)，可以得出表決器的邏輯表達(dá)式為：

或?qū)憺椋?/p>

因靜態(tài)CMOS邏輯電路是實(shí)現(xiàn)帶“非”的功能，將邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)換為與或非的形式：

用靜態(tài)CMOS邏輯電路實(shí)現(xiàn)三人表決器的邏輯圖如圖2所示。電路由兩級(jí)靜態(tài)CMOS邏輯電路構(gòu)成，其中第二級(jí)是CMOS反相器。

3? Protues軟件設(shè)計(jì)與仿真

在Protues軟件中加載電路中需使用的MOS管，NMOS管選用TN2501，PMOS管選用TP2502，按照NMOS和PMOS邏輯塊的構(gòu)成規(guī)律設(shè)計(jì)出三人表決器的電路圖，如圖3所示。輸入信號(hào)較少時(shí)，可以采用虛擬示波器顯示仿真結(jié)果。將輸入信號(hào)A、B、C分別接到示波器的A、B、C端相接，輸出信號(hào)Y接到示波器的D端。

設(shè)置電源電壓VDD為5V，輸入信號(hào)A、B、C分別設(shè)置為頻率是1kHz、2kHz、4kHz的方波。對(duì)三人表決器電路仿真，示波器顯示的仿真結(jié)果如圖4所示。圖中從上到下依次為：A、B、C和Y。從仿真結(jié)果可以看出，只有A、B、C中同時(shí)有兩個(gè)或三個(gè)信號(hào)為1時(shí)，輸出為1，符合三人表決器的功能。

Protues軟件提供電路分析功能，對(duì)于數(shù)字電路可以直接顯示出電路中任何節(jié)點(diǎn)的波形，這一點(diǎn)在輸入信號(hào)較多時(shí)分析輸出結(jié)果較為方便，圖5即為三人表決器電路用數(shù)字分析顯示的波形圖。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文以三人表決器為例，介紹了用Protues軟件設(shè)計(jì)并仿真靜態(tài)CMOS邏輯電路的方法，通過對(duì)電路設(shè)計(jì)仿真，掌握電路的設(shè)計(jì)方法。隨著信息化的發(fā)展和普及，學(xué)生計(jì)算機(jī)的操作水平不斷提升，用軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生也可以在自己的電腦上安裝Protues軟件，課后可以有更多的時(shí)間來學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)，提高自己設(shè)計(jì)電路的熟練度。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊坤漓.數(shù)字電子時(shí)鐘邏輯電路的教學(xué)設(shè)計(jì)與仿真[J].電子制作，2019（20）：29-30，38.

[2] 李偉華.VLSI設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 王文彬，楊定坤，羅坤，等.基于Cadence的靜態(tài)CMOS門電路仿真設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（24）：64-65.