錢香　李麗萍

摘? ?要：微電子學是一門理論性較強的學科，為了提高學生的學習效果及學習興趣，在課程中加入實驗教學環(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)計教學中的應用，通過實例講解如何用Protues軟件進行靜態(tài)CMOS邏輯電路的設(shè)計與仿真。學生通過軟件設(shè)計并仿真電路，加深對知識點的理解，提高學習效果和學習興趣。

關(guān)鍵詞：集成電路? CMOS? Protues? 表決器

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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?！吨袊呻娐樊a(chǎn)業(yè)人才白皮書（2018-2019年版）》數(shù)據(jù)顯示我國集成電路人才的缺口較大，預計到2021年存在26.1萬人的缺口[1]。無錫被公認為是中國的“硅谷”，微電子企業(yè)較多，可是并不是每個高職院校都開設(shè)了微電子技術(shù)專業(yè)，微電子技術(shù)專業(yè)的學生數(shù)量遠遠滿足不了企業(yè)的需求。對非微電子技術(shù)專業(yè)的學生開設(shè)微電子學相關(guān)課程一方面可以拓寬學生的知識面，另一方面可以讓將來從事微電子工作的學生更快適應工作。

微電子學是一門理論性較強的學科，講解專業(yè)知識時比較枯燥，學生容易缺乏興趣，且不容易理解。為了提高學生的學習效果及學習興趣，在課程中加入實驗教學環(huán)節(jié)。其中集成電路設(shè)計一般使用Cadence軟件，學生必須到實驗室才能使用，且入門稍難。對于非微電子技術(shù)專業(yè)的學生來說，可以用Protues軟件來進行簡單的電路設(shè)計。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，學生相對熟悉容易完成實驗內(nèi)容。下面介紹用Protues軟件設(shè)計并仿真集成電路設(shè)計中的靜態(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]。無論輸入高電平還是低電平，電路中只有一個MOS管導通，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。在一定的輸入信號下，NMOS和PMOS邏輯塊中只有一個邏輯塊導通，另一個邏輯塊截止。

2? 靜態(tài)CMOS電路設(shè)計

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邏輯電路進行設(shè)計。三人的表決意見分別用A、B、C表示，同意用1表示，反對用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，可以得出表決器的邏輯表達式為：

或?qū)憺椋?/p>

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

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

3? Protues軟件設(shè)計與仿真

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)計出三人表決器的電路圖，如圖3所示。輸入信號較少時，可以采用虛擬示波器顯示仿真結(jié)果。將輸入信號A、B、C分別接到示波器的A、B、C端相接，輸出信號Y接到示波器的D端。

設(shè)置電源電壓VDD為5V，輸入信號A、B、C分別設(shè)置為頻率是1kHz、2kHz、4kHz的方波。對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中同時有兩個或三個信號為1時，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，對于數(shù)字電路可以直接顯示出電路中任何節(jié)點的波形，這一點在輸入信號較多時分析輸出結(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

本文以三人表決器為例，介紹了用Protues軟件設(shè)計并仿真靜態(tài)CMOS邏輯電路的方法，通過對電路設(shè)計仿真，掌握電路的設(shè)計方法。隨著信息化的發(fā)展和普及，學生計算機的操作水平不斷提升，用軟件對電路進行仿真，可以提高學生的學習效果和學習興趣。學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間來學習集成電路設(shè)計，提高自己設(shè)計電路的熟練度。

參考文獻

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

[2] 李偉華.VLSI設(shè)計基礎(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[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（24）：64-65.