论文总字数：26450字

摘 要

集成电路（IC）就是将有源器件（双极型晶体管、场效应管等）与无源器件（电阻、电容、电感等）以及它们的连线一起制作的一个独立整体。21世纪以来，集成电路的应用变得越来越多，在不同的工作领域都会见到它的身影，这显然标志着集成电路进入高速发展阶段，而加法器是组成其运算的基本单元，在计算机中常用作算术逻辑单元，执行一系列算术逻辑功能。随着科研要求的愈来愈高，对加法器的运算速度、功耗、延时、成本价格等特性的要求也愈来愈高。在这种情况下，迫切需要我们能够研发出运算速度更快的加法器，从而大大提高计算机或其他科研设备的运行速度。

本文主要工作为在Cadence软件环境下运用0.18CMOS工艺库进行CMOS加法器的设计与仿真。

本文首先介绍了CMOS加法器的研究背景与意义以及国内外的研究现状。同时列举了国内外几种不同的实现电路结构，从电路复杂程度、速率、功耗、延时等方面进行分析和对比，从中选择了在功耗、速率、延时等方面表现最优的电路进行着重研究，并进行进一步创新。最后对该电路进行Cadence EDA仿真，对得出的结论进行分析和比较，并提出一些自己的建议。

关键词：加法器、CMOS集成电路设计、Cadence电路设计软件

Abstract

An integrated circuit (IC) is a self-contained unit that combines active devices (bipolar transistors, FETs, etc.) with passive components (resistors, capacitors, inductors, etc.) and their connections. Since the 21st century, the application of integrated circuits has become more and more, and it will be seen in different fields of work. This obviously marks the stage of rapid development of integrated circuits, and the adder is the basic unit that constitutes its operation. It is often used as an arithmetic logic unit in a computer to perform a series of arithmetic logic functions. As scientific research requirements become higher and higher, the requirements for the operation speed, power consumption, delay, and cost price of the adder are becoming higher and higher. In this case, we urgently need to be able to develop a faster computing adder, which will greatly increase the speed of the computer or other scientific research equipment.

The main work of this paper is to design and simulate the CMOS adder using the 0.18μm CMOS process library in the Cadence Electronic design automation (EDA) environment.

Thesis paper first introduces the research background and significance of CMOS adders and state of art. At the same time, several different implementation circuit structures at domestic and international are listed. The circuit is analyzed and compared in terms of circuit complexity, speed, power consumption and delay. The circuit with the best performance in power consumption, speed and delay is selected to research and further innovate. Finally, the Cadence EDA simulation of the circuit is carried out, and the conclusions are given and compared, and some future suggestions are put forward.

Keywords: Full adder, CMOS integrated circuit design, Cadence circuit design software

目 录

1 绪论 1

1.1加法器研究背景及意义 1

1.2 CMOS器件的结构及优点 2

1.2.1 MOS管的结构 2

1.2.2相比BJT管MOS管存在的优势 3

1.3本文的主要工作 4

2 CMOS加法器的分类与设计方案 5

2.1二进制加法器 5

2.1.1 一位加法器——半加器与全加器 5

2.1.2 行波进位加法器 8

2.2全加器不同设计方案的回顾与分析 8

2.2.1集成电路设计要求 8

2.2.2具有全电压摆动节点的14管 CMOS全加器 9

2.2.3互补传输晶体管逻辑（CPL） 12

2.2.4基于XNOR的CMOS逻辑和传输门逻辑的混合一位全加器 13

2.2.5几种方案的比较 14

本章小结 16

3 一位CMOS全加器的设计与仿真 17

3.1基于XNOR的CMOS逻辑和传输门逻辑的混合一位全加器设计 17

3.1.1 CMOS反相器 17

3.1.2 CMOS传输门 18

3.1.3基于XNOR模块设计 19

3.1.4基于传输门模块设计 22

3.1.5功耗计算 25

3.1.6传播延迟的分析 26

3.2Cadence环境下仿真结果与分析 27

3.2.1晶体管不同宽度的瞬态仿真结果与分析 27

3.2.2晶体管不同宽度的AC仿真结果与分析 30

3.2.3 400nm环境下输入波形不同上升下降时间对应仿真波形 31

本章小结 33

结论与展望 35

参考文献 36

致 谢 37

1 绪论

1.1加法器研究背景及意义

21世纪是信息时代，而各种信息技术更是成为信息时代的支柱^[1]。集成电路对信息技术产业快速发展起到了不可或缺的作用。它们已经融入国家经济和社会发展的方方面面。集成电路发展十分迅速，是人类智慧的结晶，产生在重要的研究，发现过程中，是人们经过各种各样奇妙的结构构思，技术发明，不断地工艺实践所创造的具有革命性的技术创新。同时集成电路也与社会需求的驱动有着很大关联。一个国家集成电路行业的水平高低和规模大小已经可以显示出这个国家是否具有产业竞争力，综合国力是否强大。在新世纪的头二十年，发达国家不断对经济结构进行战略性的调整。在这个过程中，IC产业的作用被进一步放大，在国家经济体系中所占的比重进一步增加。毋庸置疑，在未来二十年，IC产业依然是可以从根本上改变制造业的众多技术产业之首。

我国多年来信息技术产业十分发达，在世界上处于前列，然而主要是整机制造，缺少集成电路和软件价值链的核心。因此，近年来，我国下达了一系列大力发展集成电路行业的政策，集成电路的重要性毋庸置疑。

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