北大集成电路原理与设计之一：数字集成电路原理与设计课件05数字集成电路中的基本模块

第五章数字集成电路基本模块5.1组合逻辑电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware组合逻辑电路组合逻辑电路基础多路器和逆多路器编码器和译码器2GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware组合逻辑电路对于组合逻辑电路，若电路有m个输入x1,x2,……,xm,产生n个输出信号y1,y2,……,yn,则输出与输入之间的关系可以表示为：Y=F（X）1x3GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware组合逻辑电路单元设计的基本过程是：1）列出真值表2）逻辑表达式3）适当的结构形式4）逻辑图和电路图5）每个器件的参数6）验证功能和性能组合逻辑电路4GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware组合逻辑电路组合逻辑电路基础多路器和逆多路器编码器和译码器5GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware多路器（MUX）：通过控制信号从多个数据来源中选择一个传送出去。逆多路器（DEMUX）：根据控制信号把一个数据送到多个输出端中的某一个。2nm多路器和逆多路器控制信号的位数应满足：6GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwares1s0Y00D001D110D211D3四选一多路器真值表100101102103YssDssDssDssD直接的实现方式：用一个与或非门加一个输出反相器优点：用反相器作输出级有较好的输出驱动能力缺点：第一级的与或非门扇入系数太大，将严重影响电路性能考虑:总的管子数目,采用对称设计的面积?7GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware另辟蹊径：做变换四选一多路器：互补CMOS结构优点：逻辑门简化，有利于减小面积。用3个相同逻辑门,便于版图设计缺点：用与或非门做输出级，输出驱动能力差。100101102103100011020300011020310001102031=()()=()()=()()YssDssDssDssDssDsDssDsDsDsDssDsDssDsDssDsDs8GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware~Y010011000A3~A001B3~B0四位CMOS二选一多路器iiiYESASB().iiiYESASB改进：加输入、输出缓冲器。最终实现方案：9GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware四选一多路器和逆多路器：传输门结构100101102103YssDssDssDssD用CMOS代替NMOS,避免高电平损失；优点：电路简化，版图规整缺点：高电平有损失，输出驱动能力差。将上述电路的I/O颠倒使用，就是逆多路器。10GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftwareNMOS传输门进一步优化利用两级二选一实现四选一多路器：传输门结构11GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware组合逻辑电路组合逻辑电路基础多路器和逆多路器编码器和译码器12GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware编码器把一组m个输入信号用一组n位（2n≥m）二进制代码表示，使它们之间一一对应。产生BCD码的编码器编码器(encoder)10-4编码器13GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware编码器的一种逻辑结构注意：集成电路中输入、输出都经过反相器作缓冲器14GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware译码器：解读输入的二进制代码。根据输入代码的值在一组输出中相应的一个输出线上产生输出信号。在数字系统中常用的译码器：二进制变量译码器码制变换译码器显示译码器译码器(decoder)15GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware当输入一个n位二进制变量时，在m个输出线中只有一个是高电平或是低电平。每个输出分别对应输入变量的一个最小项。用一系列与非门或者一系列或非门实现。二进制译码器16GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware采用类NMOS电路或动态电路的形式。存储器中的地址译码器增加一根时钟信号线φ,每个与非门少4个PMOS管17GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware码制变换译码器例：4位二进制代码翻译成格雷码二进制码格雷码0000000000010001001000110011001001000110010101110110010101110100100011001001110110101111101111101100101011011011111010011111100018GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware根据真值表得到如下逻辑表达式21320100301320321212010,3031320321GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB320323101110232102021031310323210,+GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB310313032220212102102320233101310,GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB210212023330313102110303203213210GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB每个输出都是一系列最小项之和用4—16的二进制译码器产生全部最小项，再组合输出ROM实现：产生全部最小项，即符合完全译码的规律例：4位二进制代码翻译成格雷码19GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware=B3,G2=B3B2+B3B2,G1=B2B1+B2B1,G0=B1B0+B1B021320100301320321212010,3031320321GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB320323101110232102021031310323210,+GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB310313032220212102102320233101310,GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB210212023330313102110303203213210GBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB21GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware©FoxitSoftware数据通路（运算器）-加法器、移位器、乘法器等组成，加法器是运算器的核心电路GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware加法器二进制加法加法器结构设计加法器电路设计GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware=A=BCiABCiABCiABCi+++CoABBCiACi++=ABCoutSumCinFulladder两个n位二进制数据与进位输入信号进行加法运算，产生1个n位的加法和与一个进位输出信号GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware全加器:1位加法器CAABAABCCAABCBAABBABACCBAABCBABACBAABCBAABCBABACBAABCBABAABCBACBACBAS+++++++++++++++++++++++++++BBBCCAABACBAABBACBABAABBCACABABCCABCBABCACO++++++++++++++BB)()()()(ABCSCO0000000110010100110110010101011100111111GeneratedbyFoxitPDFCreator©FoxitSoftware