为什么工业中与非门优先于或非门?

电器工程 数字逻辑 延迟
2022-01-25 20:25:13

我在许多地方读到过,在工业中,NAND 门优于 NOR 门。网上给出的理由说:

与 NOR PMOS(4 号串联)相比,由于 NAND PMOS(2 号并并联),NAND 的延迟比 Nor 少。

根据我的理解,延迟是一样的。这就是我认为它的工作原理:

  • 绝对延迟 (Dabs) = t(gh+p)
  • g=逻辑努力
  • h=电力
  • p=寄生延迟
  • t=延迟单位,技术常数

对于 NAND 和 NOR 门 (gh+p) 得出 (Cout/3 + 2)。两者的t也是相同的。那么延迟应该是一样的吧?

2个回答

1. NAND 提供更少的延迟。

正如您所说,延迟等式是 $$Delay = t(gh+p)$$ 但是 NAND 的逻辑努力 \$g\$ 小于 NOR。考虑显示 2 输入 CMOS NAND 和 NOR 门的图。每个晶体管的数字是尺寸的量度,因此是电容的量度。 在此处输入图像描述

逻辑努力可以计算为 \$g = C_{in}/3\$。这使

  • \$g = 4/3\$ 用于 2 输入 NAND 和 \$g = \frac{n+2}{3}\$ 用于 n 输入 NAND 门
  • \$g = 5/3\$ 用于 2 输入 NOR 和 \$g = \frac{2n+1}{3}\$ 用于 n 输入 NOR 门
  • 参考维基表。

\$h=1\$ 用于驱动相同门的门(NAND 或 NOR),\$p=2\$ 用于 NAND 和 NOR。因此,与 NOR 相比,NAND 具有较小的延迟。

编辑:我还有两点,但我不是 100% 确定最后一点。

2. NOR占用面积更大。

加上图中晶体管的尺寸,很明显NOR的尺寸大于NAND的尺寸。而且这种大小差异会随着输入数量的增加而增加。

NOR门将比NAND门占用更多的硅面积。

3. NAND 使用类似尺寸的晶体管。

再次考虑该图,与非门中的所有晶体管具有相同的大小,而或非门则没有。这降低了与非门的制造成本。当考虑具有更多输入的门时,或非门需要两种不同尺寸的晶体管,与与非门相比,它们的尺寸差异更大。

粗略地说,与 Pmos 晶体管相比,Nmos 晶体管允许每通道面积的电流增加一倍。您可以将其视为 Nmos 的电阻是同等大小 Pmos 的一半。Cmos Nand 拓扑的方式是,它有助于拥有更多相同尺寸的晶体管,正如您从这里看到的那样:
在此处输入图像描述

如果任一输入为低电平,则单个 Pmos 电阻会将输出驱动为高电平。如果两个输入都高,则有 2 Nmos 电阻(~=1 Pmos 电阻)。如果所有晶体管的最小尺寸都与技术节点相同,那么这种拓扑结构是理想的,因为无论您将输出驱动为高电平还是低电平,对地电阻或 Vdd 的电阻都是相同的。

最后,Pmos 晶体管不如 Nmos 的原因是由于空穴的载流子迁移率较低,而空穴是 PMOS 的主要载流子。Nmos 的多数载流子是具有明显更好迁移率的电子。

另外,不要将 Nand Flash 与 Nand Cmos 混淆。Nand Flash 也更受欢迎,但原因不同。