数字电路之MOS设计
1、mos的基本性质
mos，即场效应管，四端器件，s、d、g、b四个端口可以实现开和关的逻辑状态，进而实现基本的逻辑门。nmos和pmos具有明显的对偶特性：nmos高电平打开（默认为增强型，使用的是硅栅自对准工艺，耗尽型器件这里不涉及），pmos低电平打开。在忽略方向的情况下，采用共s极接法，有如下特性：
第一张图是vds随vgs变化的情况，用于描述开关特性。后面的逻辑分析一般基于这个原理。
第二张图是ids随vds变化的情况的简图，用于描述mos的静态特性。
mos的静态特性由两个区域决定：线性区和饱和区。
前者一般是动态功耗的主要原因，后者是静态电压摆幅的决定因素。
线性区有：id=μcoxw/l[(vgs-vth)vds-1/2vds^2]
饱和区有：id=1/2μcoxw/l(vgs-vth)^2
后面的mos器件一般基于这两个区域的电学特性来分析总体的电学特性。电压摆幅、面积、噪声容限、功耗、延时基本上都是源自这个区域的原理。
2、cmos电路及其改进
（1）最基本的cmos电路--反相器
这里是反相器的版图草图及电路草图，用于描述反相器的版图位置和逻辑关系。
反相器的功能很简单，就是将vout输出为vin的反向。
从功耗上看：pmos和nmos静态不存在同时导通，即无静态功耗。由于nmos和pmos关断的延时，存在动态功耗。
从电压摆幅上看：nmos可以将vout拉到l0（逻辑0），pmos可以将vout拉到l1，可以保证全电压摆幅。
从面积上看：pmos和nmos各一个，标准的cmos面积，其他电路的面积以其为参考。
从噪声容限上看：cmos的标准噪声容限，以其为参考对比其他电路。
从延时看：取决于mos管的工艺，也是其他电路延时的参考。
小知识：噪声容限的定义
图中g代表斜率，两个噪声容限在对称情况下一般相等，有些特殊的设计需要不对称的噪声容限。可以看到，噪声容限越大，反相器变化越快，响应速度越快。
（2）与门和或门的cmos实现
使用cmos实现逻辑，需要的理解上拉网络和下拉网络：
上拉网络：标准cmos中采用pmos组成上拉网络，负责实现l1的电压。
下拉网络：标准cmos中采用nmos组成下拉网络，负责实现l0的电压。
cmos中，通过上拉网络和下拉网络的互斥来保证静态下无直通电流，即上拉网络和下拉网络的导通状态总是相反。这意味着上拉网络和下拉网络存在对偶关系---串联对并联。
再关注一个网络的导通关系：
串联的nmos需要两个输入均为l1，输出才能完成下拉l0，即y=ab，不完全与逻辑。
并联的pmos需要两个输入均为l0，输出才能不完成下拉l0，即y=a+b，不完全或逻辑。
所以，cmos的与逻辑和或逻辑如下：
由于以nmos为串并联参考，所以构建的逻辑需要取非。
这个相对于反相器而言，主要是拓展了n网络和p网络，这是后面改进及cmos与其他电路组合的基础。
由于篇幅问题，这里不再详细描述该电路的特性，只是补充一下扇入和延时之间的关系。
以与非门为例：
a连的mos（暂称ma）的有源区s不是接地，即vs被抬高（在vb=0）。vth将会随之变高，导致导通所需时间增加，增加延时。这就是扇入为2的状态。一般来说，扇入不宜超过4，否则延时会快速增加。
（3）cmos改进
cmos的改进方针就是减少或去除pmos，主要的思路如下：
使用电阻（或者类似电阻功能的器件如恒通mos管）替代pmos。问题：下拉时为有比电路，需要设计管子尺寸以保证达到l0的电压要求。
使用差分信号驱动nmos代替pmos。问题：会多一组反相器和与原来pmos相当的nmos。
使用dcvsl结构实现cmos。动态过程中为有比电路，需要设计pmos的尺寸。
前面两种比较好理解，就不过多说明了，主要关注第三种结构dcvsl的实现原理。
dcvsl，全名差分级联电压开关逻辑，用两个pmos和两个对偶的互斥输入的nmos实现逻辑功能，具有使用少量pmos的优点，支持差分输出。
这就是dcvsl的结构，下面的两个n网络输出为互斥的信号，通过上面两个pmos的加强实现输出的稳定。基本原理是下面两个n网络总会有一个导通，输出l0，l0使得上面两个pmos中一个导通，抬高另外一个pmos的输入使其关闭，实现信号的稳定。实现稳态的过程为有比电路，存在稳定延时。
这个电路与直接使用差分信号输入一个上拉网络为nmos的结构的区别（也就是第二种思路）的区别在于无需承受上拉nmos带来的电压摆幅的损失。
3、tg及其改进
（1）传输管逻辑
传输管和传输门的区别在于否是有全电压摆幅，其实现的逻辑功能是一致的。
可以看到，传输管实现逻辑的关系还是串联和并联，并且串联为与，并联为或，需要使用保护电路防止悬空。输出的逻辑与输入的信号有关，这可以作为可编程的电路的单元。
（2）tg逻辑的改进
tg逻辑的改进还是专注于去除pmos。根据反向输入的nmos等于pmos的思路，如上图3中的结构，可以将pmos替代。可以看到的传输管不能无损传输，信号需要使用反相器恢复稳定。
4、动态电路
静态电路需要保持上拉和下拉电路一直互斥，存在动态损耗。
动态电路的思路则是使用时钟信号保证上下电路互斥，这样只需要一个网络就可以实现目标功能。图中是下拉n网络的电路，还可以使用上拉p网络实现，两者的级联要求正好对偶，可以间隔连接。这就是动态电路的级联的形式一pn连接。还有一种方式就是使用多米诺电路，就是在同n或者同p之间使用反相器保证动态电路预充正确。
接下来说明动态电路的工作方式：
预充-求值
在clk=0时，p导通，输出预充到1；
在clk=1时，n导通，读取n网络的导通状态，决定求值为0或者1；
一次预充求值完成后即实现逻辑输出。
问题：求值时输入不能发生改变，否则会出现逻辑x，这意味着动态电路多与时序电路联合使用，构成流水线。
问题：电容存储电荷实现电平存在损耗，需要clk不断刷新。
动态电路的优化：
第一级动态电路clk需要p和n两个mos管，对于第二级动态电路，预充时已知某个信号为0（多米诺为0，pn连接为1），如果输入逻辑为与或者可以保证网络关闭，则可以节约一个网络控制mos管。
5、组合逻辑分析
（1）电压摆幅
电平需要能够维持在l1和l0两个状态区间内，一旦混乱，就会出现逻辑错误。一般来说，可以使用电平恢复电路维持电压（一个反相器与pmos构成的电平恢复）。对于长的逻辑链，需要加入buff来维持电压（这点在传输管中尤为重要）。
（2）逻辑延时
这部分是分析组合电路的延时的，采用的反相器为标准的估算方法（软件可以实测，但是设计时需要估值），专业词汇叫逻辑努力。
标准反相器链的延时t=tp0+tp0*f，其中tp0是空载延时，f是扇出。f=cout/cin,在同尺寸的反相器串联时，f=1，并联时f=n，n为下一级并联的个数。常用术语fo4即是扇出为4的设计。对于不同的
反相器，则需要使用具体的计算得到比例。反相器链采用f=f^(1/n)的优化规则优化。
基于反相器链，可以推导cmos门链的延时：
反相器常用p:n的w/l为2：1（综合面积，速度，噪声，功耗的考虑值），以此为基准可以推出同等最优尺寸的与非门尺寸为2：2：2：2，或非门尺寸为4：4：1：1，推算原则就是串联翻倍，并联不变的最优尺寸等效规则。
然后是cmos门的延时：d=p+gh，p为基准延时tp0的倍数，g为电学努力，h为逻辑努力。
以与非门为例，得出下面的参数：
p=2（等效两个理想反相器），g=4/3(a=2+2,b=2+2),h=cout/cin(单链，如果有分支，加上b这个参数，即下一级的负载数）。
优化的方法也是一样的，使得f=f^(1/n),即可实现最优延时。f=gh，f=gbh，大写即为连乘的小写。
6、锁存器
限于篇幅，这里不再再画图，大致解释一下锁存器的结构：
类似一个时钟控制开关（一般使用传输门作为开关），时钟打开开关时读取数据，关闭时锁存数据。通过时钟信号实现输出数据在一段时间内（理想情况下为半个周期）与输入隔离。
7、触发器
由两个锁存器和中间一个存储单元（一般是首尾相连的反相器）组成。锁存器的锁存时间相反，输入端锁存器打开时存入数据，锁存时读出数据。与锁存器整个时钟周期都在锁存依靠电平不同，触发器依靠时钟的上升和下降实现数据的存储，且输出整个时钟周期不发生改变。
8、时序逻辑分析
建立时间：数据需要提前于时钟沿的时间，
保持时间：数据需要在时钟沿到来后保持的时间。
传输时间：数据从存储单元传输到输出所需的时间。
具体的分析是复杂的，但是基本的原理是清晰的。建立时间是为了保证数据能够存入存储单元。保持时间是保证数据能度过时钟触发所需的延时。传输时间是保证存储单元数据能够传输到输出。
具体的时序分析是很复杂的，需要考虑许多参数，如时钟的抖动和歪斜。一般这些参数都是计算好的，使用者只需根据计算值设计相应的满足条件即可。基本的修改方法是：
对于关键路径，建立时间不足降低时钟频率，保持时间不足加buff。
至于如何修改建立时间和保持时间，那是电路结构的问题，需要设计更加合理的电路。常用的电路结构为c^2mos结构，即将时钟和反相器组合成的mos时序电路，有兴趣可以查一下。这个结构可以和多米诺组成流水线的结构。
9、功能模块
加法器、乘法器、多路选择器、移位寄存器、存储器等具有特定逻辑功能的电路所需的是逻辑设计，学习过数字电路的都不会陌生（存储器就是基于存储单元的读写dram和基于电容的sram），这里已经到了module层次了。这个层次的设计已经可以使用verilog快捷的实现了。优化也可以基于verilog来调试优化每个门的位置和数量。
10、总结
本文从mos管开始，基本详细地介绍了cmos的原理，传输管tg的原理、动态电路的结构、组合逻辑延时的分析，简略地介绍了锁存器、触发器及时序电路的分析，联系到了模块层次的数字电路设计，粗浅地介绍了数字电路设计的各个层次，为以后提高数字电路设计能力打下了一定的基础。
区块链如何彻底改变众筹行业
AMD只用7nm的的中端样品就达成了媲美i9-9900K的多核性能
Debian宣布停止i386架构支持
SSD固态硬盘迅速增长 中国厂商未来的发展不可小觑
警告：机器学习导致了一场“科学危机”！
数字电路之MOS设计
不锈钢薄板焊接应力的产生及消除方法
苹果因电池门再遭集体诉讼
医药价格改革公布，各方影响全面解读
2019数字经济峰会在河南郑州市国际会展中心隆重举行
机器视觉检测中如何提高检测图像处理速度
互感器作用和特点分析
从技术市场等角度对激光雷达进行概述
利用单片机IO引脚驱动LED电路
浅谈硬件电路设计中晶体、晶振、负载电容
海康威视双千兆无线路由器开售，采用7*6dBi高增益全向天线设计
浅谈影响UVLED深层光固化的因素
华为无惧“芯片禁令” 任正非早就留了“后手”
家用机器人成为巨头们的“群雄逐鹿”之地
AI技术已成为高性能计算领域的关键部分
mos，即场效应管，四端器件，s、d、g、b四个端口可以实现开和关的逻辑状态，进而实现基本的逻辑门。nmos和pmos具有明显的对偶特性：nmos高电平打开（默认为增强型，使用的是硅栅自对准工艺，耗尽型器件这里不涉及），pmos低电平打开。在忽略方向的情况下，采用共s极接法，有如下特性：
第一张图是vds随vgs变化的情况，用于描述开关特性。后面的逻辑分析一般基于这个原理。
第二张图是ids随vds变化的情况的简图，用于描述mos的静态特性。
mos的静态特性由两个区域决定：线性区和饱和区。
前者一般是动态功耗的主要原因，后者是静态电压摆幅的决定因素。
线性区有：id=μcoxw/l[(vgs-vth)vds-1/2vds^2]
饱和区有：id=1/2μcoxw/l(vgs-vth)^2
后面的mos器件一般基于这两个区域的电学特性来分析总体的电学特性。电压摆幅、面积、噪声容限、功耗、延时基本上都是源自这个区域的原理。
2、cmos电路及其改进
（1）最基本的cmos电路--反相器
这里是反相器的版图草图及电路草图，用于描述反相器的版图位置和逻辑关系。
反相器的功能很简单，就是将vout输出为vin的反向。
从功耗上看：pmos和nmos静态不存在同时导通，即无静态功耗。由于nmos和pmos关断的延时，存在动态功耗。
从电压摆幅上看：nmos可以将vout拉到l0（逻辑0），pmos可以将vout拉到l1，可以保证全电压摆幅。
从面积上看：pmos和nmos各一个，标准的cmos面积，其他电路的面积以其为参考。
从噪声容限上看：cmos的标准噪声容限，以其为参考对比其他电路。
从延时看：取决于mos管的工艺，也是其他电路延时的参考。
小知识：噪声容限的定义
图中g代表斜率，两个噪声容限在对称情况下一般相等，有些特殊的设计需要不对称的噪声容限。可以看到，噪声容限越大，反相器变化越快，响应速度越快。
（2）与门和或门的cmos实现
使用cmos实现逻辑，需要的理解上拉网络和下拉网络：
上拉网络：标准cmos中采用pmos组成上拉网络，负责实现l1的电压。
下拉网络：标准cmos中采用nmos组成下拉网络，负责实现l0的电压。
cmos中，通过上拉网络和下拉网络的互斥来保证静态下无直通电流，即上拉网络和下拉网络的导通状态总是相反。这意味着上拉网络和下拉网络存在对偶关系---串联对并联。
再关注一个网络的导通关系：
串联的nmos需要两个输入均为l1，输出才能完成下拉l0，即y=ab，不完全与逻辑。
并联的pmos需要两个输入均为l0，输出才能不完成下拉l0，即y=a+b，不完全或逻辑。
所以，cmos的与逻辑和或逻辑如下：
由于以nmos为串并联参考，所以构建的逻辑需要取非。
这个相对于反相器而言，主要是拓展了n网络和p网络，这是后面改进及cmos与其他电路组合的基础。
由于篇幅问题，这里不再详细描述该电路的特性，只是补充一下扇入和延时之间的关系。
以与非门为例：
a连的mos（暂称ma）的有源区s不是接地，即vs被抬高（在vb=0）。vth将会随之变高，导致导通所需时间增加，增加延时。这就是扇入为2的状态。一般来说，扇入不宜超过4，否则延时会快速增加。
（3）cmos改进
cmos的改进方针就是减少或去除pmos，主要的思路如下：
使用电阻（或者类似电阻功能的器件如恒通mos管）替代pmos。问题：下拉时为有比电路，需要设计管子尺寸以保证达到l0的电压要求。
使用差分信号驱动nmos代替pmos。问题：会多一组反相器和与原来pmos相当的nmos。
使用dcvsl结构实现cmos。动态过程中为有比电路，需要设计pmos的尺寸。
前面两种比较好理解，就不过多说明了，主要关注第三种结构dcvsl的实现原理。
dcvsl，全名差分级联电压开关逻辑，用两个pmos和两个对偶的互斥输入的nmos实现逻辑功能，具有使用少量pmos的优点，支持差分输出。
这就是dcvsl的结构，下面的两个n网络输出为互斥的信号，通过上面两个pmos的加强实现输出的稳定。基本原理是下面两个n网络总会有一个导通，输出l0，l0使得上面两个pmos中一个导通，抬高另外一个pmos的输入使其关闭，实现信号的稳定。实现稳态的过程为有比电路，存在稳定延时。
这个电路与直接使用差分信号输入一个上拉网络为nmos的结构的区别（也就是第二种思路）的区别在于无需承受上拉nmos带来的电压摆幅的损失。
3、tg及其改进
（1）传输管逻辑
传输管和传输门的区别在于否是有全电压摆幅，其实现的逻辑功能是一致的。
可以看到，传输管实现逻辑的关系还是串联和并联，并且串联为与，并联为或，需要使用保护电路防止悬空。输出的逻辑与输入的信号有关，这可以作为可编程的电路的单元。
（2）tg逻辑的改进
tg逻辑的改进还是专注于去除pmos。根据反向输入的nmos等于pmos的思路，如上图3中的结构，可以将pmos替代。可以看到的传输管不能无损传输，信号需要使用反相器恢复稳定。
4、动态电路
静态电路需要保持上拉和下拉电路一直互斥，存在动态损耗。
动态电路的思路则是使用时钟信号保证上下电路互斥，这样只需要一个网络就可以实现目标功能。图中是下拉n网络的电路，还可以使用上拉p网络实现，两者的级联要求正好对偶，可以间隔连接。这就是动态电路的级联的形式一pn连接。还有一种方式就是使用多米诺电路，就是在同n或者同p之间使用反相器保证动态电路预充正确。
接下来说明动态电路的工作方式：
预充-求值
在clk=0时，p导通，输出预充到1；
在clk=1时，n导通，读取n网络的导通状态，决定求值为0或者1；
一次预充求值完成后即实现逻辑输出。
问题：求值时输入不能发生改变，否则会出现逻辑x，这意味着动态电路多与时序电路联合使用，构成流水线。
问题：电容存储电荷实现电平存在损耗，需要clk不断刷新。
动态电路的优化：
第一级动态电路clk需要p和n两个mos管，对于第二级动态电路，预充时已知某个信号为0（多米诺为0，pn连接为1），如果输入逻辑为与或者可以保证网络关闭，则可以节约一个网络控制mos管。
5、组合逻辑分析
（1）电压摆幅
电平需要能够维持在l1和l0两个状态区间内，一旦混乱，就会出现逻辑错误。一般来说，可以使用电平恢复电路维持电压（一个反相器与pmos构成的电平恢复）。对于长的逻辑链，需要加入buff来维持电压（这点在传输管中尤为重要）。
（2）逻辑延时
这部分是分析组合电路的延时的，采用的反相器为标准的估算方法（软件可以实测，但是设计时需要估值），专业词汇叫逻辑努力。
标准反相器链的延时t=tp0+tp0*f，其中tp0是空载延时，f是扇出。f=cout/cin,在同尺寸的反相器串联时，f=1，并联时f=n，n为下一级并联的个数。常用术语fo4即是扇出为4的设计。对于不同的
反相器，则需要使用具体的计算得到比例。反相器链采用f=f^(1/n)的优化规则优化。
基于反相器链，可以推导cmos门链的延时：
反相器常用p:n的w/l为2：1（综合面积，速度，噪声，功耗的考虑值），以此为基准可以推出同等最优尺寸的与非门尺寸为2：2：2：2，或非门尺寸为4：4：1：1，推算原则就是串联翻倍，并联不变的最优尺寸等效规则。
然后是cmos门的延时：d=p+gh，p为基准延时tp0的倍数，g为电学努力，h为逻辑努力。
以与非门为例，得出下面的参数：
p=2（等效两个理想反相器），g=4/3(a=2+2,b=2+2),h=cout/cin(单链，如果有分支，加上b这个参数，即下一级的负载数）。
优化的方法也是一样的，使得f=f^(1/n),即可实现最优延时。f=gh，f=gbh，大写即为连乘的小写。
6、锁存器
限于篇幅，这里不再再画图，大致解释一下锁存器的结构：
类似一个时钟控制开关（一般使用传输门作为开关），时钟打开开关时读取数据，关闭时锁存数据。通过时钟信号实现输出数据在一段时间内（理想情况下为半个周期）与输入隔离。
7、触发器
由两个锁存器和中间一个存储单元（一般是首尾相连的反相器）组成。锁存器的锁存时间相反，输入端锁存器打开时存入数据，锁存时读出数据。与锁存器整个时钟周期都在锁存依靠电平不同，触发器依靠时钟的上升和下降实现数据的存储，且输出整个时钟周期不发生改变。
8、时序逻辑分析
建立时间：数据需要提前于时钟沿的时间，
保持时间：数据需要在时钟沿到来后保持的时间。
传输时间：数据从存储单元传输到输出所需的时间。
具体的分析是复杂的，但是基本的原理是清晰的。建立时间是为了保证数据能够存入存储单元。保持时间是保证数据能度过时钟触发所需的延时。传输时间是保证存储单元数据能够传输到输出。
具体的时序分析是很复杂的，需要考虑许多参数，如时钟的抖动和歪斜。一般这些参数都是计算好的，使用者只需根据计算值设计相应的满足条件即可。基本的修改方法是：
对于关键路径，建立时间不足降低时钟频率，保持时间不足加buff。
至于如何修改建立时间和保持时间，那是电路结构的问题，需要设计更加合理的电路。常用的电路结构为c^2mos结构，即将时钟和反相器组合成的mos时序电路，有兴趣可以查一下。这个结构可以和多米诺组成流水线的结构。
9、功能模块
加法器、乘法器、多路选择器、移位寄存器、存储器等具有特定逻辑功能的电路所需的是逻辑设计，学习过数字电路的都不会陌生（存储器就是基于存储单元的读写dram和基于电容的sram），这里已经到了module层次了。这个层次的设计已经可以使用verilog快捷的实现了。优化也可以基于verilog来调试优化每个门的位置和数量。
10、总结
本文从mos管开始，基本详细地介绍了cmos的原理，传输管tg的原理、动态电路的结构、组合逻辑延时的分析，简略地介绍了锁存器、触发器及时序电路的分析，联系到了模块层次的数字电路设计，粗浅地介绍了数字电路设计的各个层次，为以后提高数字电路设计能力打下了一定的基础。
区块链如何彻底改变众筹行业
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机器视觉检测中如何提高检测图像处理速度
互感器作用和特点分析
从技术市场等角度对激光雷达进行概述
利用单片机IO引脚驱动LED电路
浅谈硬件电路设计中晶体、晶振、负载电容
海康威视双千兆无线路由器开售，采用7*6dBi高增益全向天线设计
浅谈影响UVLED深层光固化的因素
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