数字集成电路课程设计74hc138

目 录

1．目的与任务 1 2.教学内容基要求 1 3.设计的方法与计算分析 1 3.1 74HC138芯片简介 1 3.2 电路设计 3 3.3功耗与延时计算 6 4.电路模拟 14 4.1直流分析 15 4.2 瞬态分析 17 4.3功耗分析 19 5.版图设计 19 5.1 输入级的设计 19 5.2 内部反相器的设计 19 5.3输入和输出缓冲门的设计 22 5.4内部逻辑门的设计 23 5.5输出级的设计 24 5.6连接成总电路图 24 5.3版图检查 24 6.总图的整理 26 7.经验与体会 26 8.参考文献 26 附录A 电路原理图总图 28 附录B 总电路版图 29

集成

1. 目的与任务

本课程设计是《集成电路分析与设计基础》的实践课程，其主要目的是使学生在熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础上，训练综合运用已掌握的知识，利用相关软件，初步熟悉和掌握集成电路芯片系统设计→电路设计及模拟→版图设计→版图验证等正向设计方法。

2. 教学内容基本要求

2.1课程设计题目及要求

器件名称：3-8译码器的74HC138芯片 要求电路性能指标：

⑴可驱动10个LSTTL电路（相当于15pF电容负载）； ⑵输出高电平时，IOH≤20uA,

VOH,min

=4.4V; ⑶输出低电平时，

IOL

≤4mA，

VOL,man

=0.4V

⑷输出级充放电时间tr=

tf

，

tpd

＜25ns；

⑸工作电源5V，常温工作，工作频率fwork

=30MHZ，总功耗

Pmax

=15mW。2.2课程设计的内容 1. 功能分析及逻辑设计； 2. 电路设计及器件参数计算； 3. 估算功耗与延时； 4. 电路模拟与仿真； 5. 版图设计；

6. 版图检查：DRC与LVS； 7. 后仿真(选做)； 8. 版图数据提交。

2.3课程设计的要求与数据

1. 独立完成设计74HC138芯片的全过程；

2. 设计时使用的工艺及设计规则： MOSIS:mhp_ns5； 3. 根据所用的工艺，选取合理的模型库； 4. 选用以lambda(λ)为单位的设计规则；

3. 设计的方法与计算分析

3.1 74HC138芯片简介

74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL系列

图3-1 74HC138管脚图

表3-1 74HC138真值表

由于74HC138芯片是由两个2-4译码器组成，两个译码器是独立的，所以，这里只分析其中一个译码器。由真值表可以看出，Cs为片选端，当其为0时，芯片正常工作，当其为1时，芯片封锁。A1、A0为输入端，Y0-Y3为输出端，而且是低电平有效。

分析其逻辑功能，可以得到逻辑表达式：

图3-2 74HC138逻辑图

3.2 电路设计

本次电路设计采用的是ml2_typ.md模型的各参数。其参数如下： N管：

ox

=3.9×8.85×10

12

F/m

N

=700 10

4

m/Vs

2

μm Vtn 1.0V tox 0.1

P管：

ox

=3.9×8.85×10

12

F/m p 300 10 4m2/Vs

tox 0.1μm

Vtp 1.0V

3.2.1输出级电路设计

据要求，输出级等效电路如图3-3所示，输入Vi为前一级的输出，可认为是理想的输出，即

ViL

=

VSSViH

,

=VDD。

图3-3 输出级等效电路

⑴输出级N管(W/L)

N

的计算

当输入为高电平时，输出为低电平，N管导通，后级TTL有较大的灌电流输入，要求式：

IOL

≤4mA，

VOL,man

=0.4V，依据MOS管的理想电流统一方程

Ids 12

ox tox

(W) [(VG VT VS) (VG VT VD)]L

N

22

可以求出

(W/L)

的值。其主要计算如下:

2Idsntox W

2

ox nVg Vtn VS Vg Vtn Vd L N

2

=

4 10

3

0.1

10

5 3.9 8.85 700 10 7.6 0.4

≈109 ⑵输出级P管

W

/L p

的计算

当输入为低电平时，输出为高电平，P管导通。同时要求N管和P管的充放电时间①以

IOH

tr tf

，分别求出这两个条件下的

VOH,min 4.4V

W

/L P,min

极限值，然后取大者。

≤20uA,为条件计算

W

/L P,min

极限值，用MOS管理

想电流方程统一表达式：

Ids 12

ox tox

(W) [(VG VT VS) (VG VT VD)]L

的值。其主要计算如下：

22

可以求出

W

/L p

2Idsptox W

2

L P ox pVg Vtp Vs Vg Vtp Vd

2

=

2 20 10

3.9 8.85 10

12

6

0.1 10

4

6

350 10 4 3.4

22

≈0.75≈1

②N管和P管的充放电时间tr和

tf

tf

表达式分别为

19Vdd 20VtnCL tox L 2 Vtn 0.1Vdd 1

ln 2

Vdd Vtn ox n W n Vdd Vtn Vdd

CL tox L 2tp 0.1Vdd

tr 2

ox p W p V ddtp

1

V

dd

tp

19Vdd 20tpln Vdd

以

tr tf

计算

W

/L P,min

的值。其计算如下：

设

Kn

L 2 Vtn 0.1Vdd 2

ox n W n Vdd Vtn tox

tox

1

Vdd

19Vdd 20Vtnln Vtn Vdd

1

Kp

ox p

L 2tp 0.1Vdd 2

W p Vdd tp

V

dd

tp

19Vdd 20tpln Vdd

由

1

tr tf

，故有

L 2 Vtn 0.1Vdd 2 n W n Vdd Vtn

1

1

Vdd

19Vdd 20Vtnln Vtn Vdd

1

p

L 2tp 0.1Vdd 2 W p Vdd tp

V

dd

tp

19Vdd 20tpln Vdd

代入数据，化简可以得

7 L L W ，代入 109

3 W n W p L n

W

255 L P

比较两种方法的

W W

，取其中的最大值，即取 255 LL P P

3.2.2内部基本反相器中的各MOS 尺寸的计算

内部基本反相器如图3-4所示，它的N管和P管尺寸依据充放电时间tr和

tf

方程来求。关键点是先求出式中的CL(即负载)。