Verilog 99题:画出CMOS三态缓冲器的电路原理图

001.画出CMOS反相器的电路原理图。

衬底的连接问题。PMOS衬底接电源，NMOS衬底接地

002.反相器的速度与哪些因素有关？什么是转换时间（transitiontime）和传播延迟（propagation delay）？

反相器的速度与哪些因素有关。

（1）电容（负载电容、自载电容、连线电容）较小，漏端扩散区的面积应尽可能小。输入电容要考虑： （1）Cgs 随栅压而变化（2）密勒效应（3）自举效应

（2）加大晶体管的尺寸（驱动能力），使晶体管的等效导通电阻（输出电阻）较小。但这同时加大自载电容和负载电容（下一级晶体管的输入电容）。

（3）提高电源电压，提高电源电压可以降低延时，即用功耗换取性能但超过一定程度后改善有限。电压过高会引起可靠性问题（氧化层击穿、热电子等）。

Transition Time（转换时间）：上升时间：从10%Vdd上升到90%Vdd的时间，下降时间L从90%Vdd下降到10%dd的时间。上升时间和下降时间统称为Transition Time，也有定义为20%到80%。

Propagation Delay（传播延时）：在输入信号变化到50%Vdd到输出信号变化到50%Vdd之间的时间。

扩展问题：结合fpga的时序报告，介绍一下这些参数在工程实际中有啥用处呢？

003.解释一下Vih，Vil，Vol，Voh，Vt。

Vih：输入电压由高到低变化时，输出电压开始上升且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中B点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑“1”的最大输出电压）

Vil：输入电压由低到高变化时，输出电压开始下降且传输特性曲线斜率为-1的点，即图中A点对应的输入电压。（仍能维持输出为逻辑“0”的最小输出电压）

Voh：定义为最小合格高电平。（维持输出为逻辑“1”的最大输出电压）

Vol：定义为最大合格低电平。（维持输出为逻辑“0”的最大输出电压）

CMOS集成电路内部规定Vol = 0v，Voh = Vdd。

Vt：MOS管的阈值电压

扩展问题：如果输入电平是(Vil+Vih)/2，会有什么问题？

输入电压（Vil+Vih）/2接近于0.5Vdd，CMOS反相器的阈值电压也接近于0.5Vdd，这样输出不确定会是高电平还是低电平，输出呈亚稳态！

004.什么是原码，反码，补码，符号-数值码。以4bit为例，给出各自表示的数值范围。

原码：符号位+真值，最高位表示符号位，以4bit为例。

[+3]原 = 0011

[-3]原 = 1011

表示范围：-7到+7

原码中0000和1000都表示0。

反码：正数的反码是它本身，负数的反码将原码除符号位外逐位取反。以4bit为例。

[+3]原 = [0011]原 =[0011]反

[-3]原 = [1011]原 = [1100]反

表示范围：-7到+7

反码中0000和1111都表示0。

补码：正数的补码是它本身，负数的补码将原码除符号位外逐位取反再加1。以4bit为例。

[+3]原 = [0011]原 =[0011]反 = [0011]补

[-3]原 = [1011]原 =[1100]反 = [1101]补

表示范围：-8到+7

补码中0的表示只有一种形式，即0000，1000表示-8。

以上是有符号数，对于无符号数来说都是来表示整数，其原码、反码、补码都是其本身。

更详细解释可参考维基百科。

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9C%89%E7%AC%A6%E8%99%9F%E6%95%B8%E8%99%95%E7%90%86

005.十进制转换为二进制编码：

127

-127

127.375

-127.375

十进制数转化为R进制数：整数部分，除R取余法，除到商为0为止。小数部分，乘R取整法，乘到积为0为止。

127 = 0111_1111

-127 = 1111_1111

127.375 =0111_1111.011

-127.375 =1111_1111.011

006.画出CMOS三态缓冲器的电路原理图，解释一下高阻态。

很多东西去搜索还是应该直接用英文，用Google或者Bing国际版，百度真是惨不忍睹。

PMOS衬底接Vdd，CMOS衬底解Gnd，以下为简化，未画衬底。

图1，三态非门，当~EN为1时，最上面的PMOS和最下面的NMOS管截止，所以输出为高阻态，反之输出为~A，同理可推理出图2，EN高电平有效输出。

图3，三态缓冲门，当~EN为高电平时，最上面的PMOS管截止，输出为高阻态，反之，输出为A。图4一样。

图5，CMOS传输门，双向传输，当C=0，~C=Vdd，两个MOS管都截止，输入和输出之间呈现高阻态，当C=Vdd，~C=0，如果0 <= Vi <= Vdd – Vt（NMOS）,NMOS管导通，如果|Vt（PMOS）|<= Vi <= Vdd，PMOS管导通，所以Vi在0到Vdd之间，总有一个MOS管导通，实现传输门。

图6，三态非门，在反相器后面加一个传输门，当~EN为低电平，传输门导通，输出Y = ~A，反之传输门截止，输出高阻态。如果想要EN高电平有效，交换传输门上下端子的反相器即可。

高阻态：电路的一种输出状态，既不是高电平也不是低电平，如果高阻态再输入下一级电路的话，对下级电路无任何影响，可以理解为断路，不被任何东西所驱动，也不驱动任何东西

007.什么是Open-Drain Output？

Open-Drain Output漏极开路输出，称为OD门，两个OD门并联可以实现线与功能，输出端外接的上拉电阻提高驱动能力

008.只用2输入mux，实现与，或，非，异或。2输入mux定义为o = s ? a :b;

与：out = (a == 1'b0)? 1'b0: ((b == 1'b0)? 1'b0: 1'b1); 

改进版：out = (a == 1'b1)? b: 1'b0; 

或：out = (a == 1'b1)? 1'b1: ((b == 1'b1)? 1'b1: 1'b0); 

改进版：out = (a == 1'b0)? b: 1'b1; 

非：out = (a == 1'b1)? 1'b0: 1'b1; 

异或：out = (a == 1'b1)? ((b == 1'b1)? 1'b0: 1'b1) : ((b == 1'b0)? 1'b0: 1'b1);

009.相同面积的cmos与非门和或非门哪个更快？

数集学的不够深刻，需要慢慢体会。

电子迁移率是空穴的2.5倍（在硅基CMOS工艺中），运算就是用这些大大小小的MOS管驱动后一级的负载电容，翻转速度和负载大小一级前级驱动能力相关。为了上升延迟和下降延迟相同，PMOS需要做成NMOS两倍多大小。

载流子的迁移率，对PMOS而言，载流子是空穴；对NMOS而言，载流子是电子。

PMOS采用空穴导电，NMOS采用电子导电，由于PMOS的载流子的迁移率比NMOS的迁移率小，所以，同样尺寸条件下，PMOS的充电时间要大于NMOS的充电时间长，在互补CMOS电路中，与非门是PMOS管并联，NMOS管串联，而或非门正好相反，所以，同样尺寸条件下，与非门的速度快，所以，在互补CMOS电路中，优先选择与非门。