從零開(kāi)始反相器的verilog設(shè)計(jì)

反相器的晶體管級(jí)電路

反相器，是數(shù)字集成電路最基本的電路之一。由一個(gè)pmos和一個(gè)nmos組成，輸入信號(hào)IN接到pmos和nmos的柵極，輸出信號(hào)OUT由漏極引出，如下圖。

假設(shè)VDD=3.3V，VSS=0V，mos管的開(kāi)啟電壓Vt=0.7V：

• 當(dāng)IN=3.3V時(shí)，
  • nmos的柵源電壓Vgs>Vt，nmos導(dǎo)通，導(dǎo)通后漏源間的電阻Rds變得很小（比如0.1Ω），所以nmos漏極電壓Vds就被拉到接近地。
  • pmos的Vgs=0V，小于開(kāi)啟電壓Vt，pmos關(guān)斷，所以pmos的漏極電壓由nmos決定。
  • 綜上，OUT≈0V。
• 當(dāng)IN=0V時(shí)，
  • nmos的Vgs=0V，nmos關(guān)斷，輸出由pmos決定。
  • pmos的Vgs=-3.3V，大于開(kāi)啟電壓Vt，pmos導(dǎo)通，Rds變得很小，pmos的輸出被拉到接近VDD。
  • 綜上，OUT≈3.3V。

我們把輸入輸出關(guān)系整理如下表：

反相器的數(shù)字邏輯關(guān)系

數(shù)字集成電路不太關(guān)心電源和地的具體電壓值，只關(guān)心輸入輸出邏輯關(guān)系。通用把接近VDD的電壓稱為高電平，用數(shù)字1表示，而接近VSS的電壓稱為低電平，用數(shù)字0來(lái)表示。

所以，反相器的輸入輸出電壓關(guān)系用邏輯電平可表示為：

反相器的數(shù)學(xué)表示法

20世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家香農(nóng)指出，布爾代數(shù)（一種用來(lái)推理的數(shù)學(xué)）可以用來(lái)描述電路：布爾代數(shù)的運(yùn)算法則正好與組合邏輯電路里的“與”、“或”和“非”相同。

交集（與）：OUT = IN1 · IN2
并集（或）：OUT = IN1 + IN2
差集（反相）：OUT =

所以，非邏輯就對(duì)應(yīng)反相器。

反相器的電路符號(hào)

在畫(huà)反相器的門級(jí)電路符號(hào)時(shí)可以抽象成下面的符號(hào)。輸出端的圓圈表示邏輯上相反。

verilog描述

verilog，全稱Verilog HDL，一種硬件描述語(yǔ)言，由美國(guó)gateway公司1983年創(chuàng)立。因?yàn)関erilog從C語(yǔ)言里借鑒了一些語(yǔ)法規(guī)則，看起來(lái)與C語(yǔ)言有點(diǎn)像，所以在工程中得到廣泛地推廣和應(yīng)用，因此成為了IEEE標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1364。

我們來(lái)用verilog描述這個(gè)反相器電路的形為（也稱為形為級(jí)描述）：

第1行：注釋
第2行：定義一個(gè)電路模塊，電路模塊的名字是inv
第4~5行：定義這個(gè)電路模塊的輸入和輸出端口
第8行：描述了輸出和輸入之間的邏輯關(guān)系
第10行：結(jié)束這個(gè)電路模塊的定義和描述

把這段verilog代碼變成電路

用verilog寫(xiě)出來(lái)的這段代碼，只是描述了電路模塊端口和內(nèi)部的邏輯。然后，使用邏輯綜合工具，把verilog映射成由若干個(gè)提前設(shè)計(jì)好的基本單元電路（即工廠提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)）連線而成的復(fù)雜電路。這種自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法不再需要像模擬電路一樣手工設(shè)計(jì)晶體管級(jí)的電路了，不僅大大加快了設(shè)計(jì)效率，也使得設(shè)計(jì)超大規(guī)模集成電路成為可能。

我們把上面的verilog用綜合工具（比如synopsys dc）綜合一下，得到下面的網(wǎng)表：

可以看到，綜合工具把verilog描述的邏輯表達(dá)式自動(dòng)替換成了由標(biāo)準(zhǔn)單元組成的電路了。（注：這里端口的定義格式稍有不一樣，是采用的verilog95的風(fēng)格。）

我們可以用網(wǎng)表查看工具自動(dòng)繪制出門級(jí)電路圖：

總結(jié)

本文從數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)角度闡述了反相器的原理、數(shù)字邏輯表示方法、verilog語(yǔ)言的描述、再到把verilog代碼轉(zhuǎn)換回電路的方法和過(guò)程。后面會(huì)繼續(xù)用這種思維帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路中的常用電路。