基于Multisim 的集成电路CMOS 逻辑部件仿真应用研究

摘要：CMOS逻辑部件是构成CMOS数字集成电路的基本单元。现有的仿真方法较多，但参数设置等往往较为抽象。文章以Multisim在CMOS倒相器、CMOS与非门、CMOS或非门、CMOS边沿D触发器等几种典型CMOS逻辑部件仿真中的应用为例，介绍了Multisim在集成电路CMOS逻辑部件仿真中的使用方法。Multisim的图形化操作方式和便捷的虚拟仪器调用功能，有效降低了使用者进行CMOS逻辑部件仿真的难度，是一种值得推广的仿真方法。

关键词：CMOS；倒相器；与非门；或非门；D触发器；Multsim；仿真

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）05 -0097-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

1 Multsim 简介

Multisim是一款基于Windows操作系统的电路仿真软件，适用于板级模拟/数字电路的设计。该软件支持电路原理图的图形输入和硬件描述语言输入，并具备丰富的仿真分析功能。

用户可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图并进行仿真。Multisim 简化了SPICE 仿真的复杂操作，用户无须深入了解SPICE技术即可快速进行电路捕获、仿真和分析。Multisim结合虚拟仪器技术，可以实现从理论到原理图捕获、仿真、原型设计和测试的完整综合设计流程[1-2]。

2 Multsim 在集成电路CMOS 逻辑部件仿真中的优势

CMOS逻辑部件的仿真方法较多，常用的包括Ca⁃dence Spectre仿真、SPICE仿真以及Multisim等仿真软件。其中Cadence Spectre需要在Linux操作系统下运行，用户需要掌握一定的Linux操作命令；SPICE仿真对用户要求较高，需要深入了解SPICE技术并掌握仿真语句才能进行仿真。Multisim简化了SPICE仿真的复杂操作，其图形化的操作方法更易于用户掌握，因此对于CMOS 逻辑部件功能仿真等需求，推荐使用Multisim进行仿真，操作简单、可直接调用虚拟仪器显示仿真结果，完全满足CMOS 逻辑部件功能仿真的需求[3]。

本文将通过Multisim在CMOS倒相器、CMOS与非门、CMOS 或非门、CMOS 边沿D 触发器等几种典型CMOS逻辑部件仿真中的应用，介绍Multisim在集成电路CMOS逻辑部件仿真中的使用方法。

3 Multsim 在CMOS 倒相器仿真中的应用

3.1 CMOS 倒相器结构及工作原理

CMOS倒相器电路是一种常见的数字电路，用于将输入信号的逻辑电平进行翻转，其结构如图1所示。CMOS倒相器由一个NMOS管和一个PMOS管组成，PMOS管源极接VDD，NMOS管源极接地。两个管子的栅极连接在一起接输入信号，两个管子的漏极连接在一起接输出信号。当输入信号为高电平时，NMOS 管导通，PMOS管截止，输出节点通过导通的NMOS管与地之间形成放电回路，输出为低电平；当输入信号为低电平时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出节点通过导通的PMOS管与电源之间形成充电回路，输出为高电平。因此，该电路实现逻辑非功能[4]。

3.2 使用Multsim 对CMOS 倒相器进行功能仿真

从元件库中调出NMOS管、PMOS管、VDD、GND，连接成CMOS倒相器电路图，并调用脉冲信号源加至倒相器输入端，从虚拟仪器中调用示波器并将输出节点的信号加至示波器输入端，如图1所示。仿真结果如图2所示，与理论分析一致。

4 Multsim 在CMOS 与非门仿真中的应用

4.1 CMOS 与非门结构及工作原理

CMOS与非门是一种常见的数字电路，用于实现输入信号的与非逻辑功能。下面以两输入与非门为例，介绍CMOS与非门的结构及工作原理。两输入与非门的结构如图3 所示，包含两个NMOS 管和两个PMOS管，两个PMOS管并联，两个NMOS管串联。当两个输入信号中有一个为低电平时，并联的两个PMOS管至少有一个导通，串联的两个NMOS管至少有一个截止，形成电源和输出节点之间的充电回路，而输出节点和地之间的放电回路被切断，输出节点为高电平；只有当两个输入信号都为高电平时，两个并联的PMOS管均截止，两个串联的NMOS管均导通，形成输出节点和地之间的放电回路，而电源和输出节点之间的充电回路被切断，输出节点为低电平。因此，该电路实现与非逻辑功能[4]。

4.2 使用Multsim 对CMOS 与非门进行功能仿真

从元件库中调出两个NMOS 管、两个PMOS 管、VDD、GND，连接成CMOS与非门电路图，并调用脉冲信号源加至与非门输入端，调用逻辑分析仪并将输出节点的信号加至逻辑分析仪输入端，如图3所示。仿真结果如图4所示，与理论分析一致[5]。

5 Multsim 在CMOS 或非门仿真中的应用

5.1 CMOS 或非门结构及工作原理

CMOS或非门是一种常见的数字电路，用于实现输入信号的或非逻辑功能。下面以两输入或非门为例，介绍CMOS或非门的结构及工作原理。两输入或非门的结构与两输入与非门的结构互补，如图5所示，两个PMOS管串联，两个NMOS管并联。当两个输入信号中有一个为高电平时，串联的两个PMOS管至少有一个截止，并联的两个NMOS管至少有一个导通，形成输出节点和地之间的放电回路，而电源和输出节点之间的充电回路被切断，输出节点为高电平；只有当两个输入信号都为低电平时，两个串联的PMOS管均导通，两个并联的NMOS管均截止，形成电源和输出节点之间的充电回路，而输出节点和地之间的放电回路被切断，输出节点为高电平。因此，该电路实现或非逻辑功能[4]。

5.2 使用Multsim 对CMOS 或非门进行功能仿真

从元件库中调出两个NMOS 管、两个PMOS 管、VDD、GND，连接成CMOS或非门电路图，并调用脉冲信号源加至或非门输入端，调用逻辑分析仪并将输出节点的信号加至逻辑分析仪输入端，如图5所示。仿真结果如图6所示，与理论分析一致。

6 Multsim在CMOS边沿D触发器仿真中的应用

6.1 边沿D 触发器结构及工作原理

CMOS边沿D触发器的逻辑电路图如图7所示。CMOS边沿D触发器由主触发器和从触发器两级触发器构成，D为数据端输入信号，CP为时钟信号。当CP 为0时，主触发器接收D信号，输出与D信号保持一致，从触发器处于锁存状态，输出保持不变；当CP为1 时，主触发器处于锁存状态，从触发器接收输入端数据，输出与输入端数据保持一致。因此，对于该CMOS 边沿D触发器，当时钟信号CP由0变为1时，主触发器锁存时钟信号上升沿之前的D输入端数据，同时从触发器打开，输出主触发器锁存的时钟信号上升沿之前的D输入端数据。因此，该D触发器为时钟上升沿触发的边沿D触发器。

6.2 使用Multisim 对CMOS 边沿D 触发器进行功能仿真

从元件库中调出NMOS管、PMOS管、VDD、GND，连接成CMOS边沿D触发器电路图，并调用脉冲信号源加至边沿D触发器输入端，调用逻辑分析仪，并将输入节点和输出节点的信号加至逻辑分析仪输入端，如图8 所示。仿真结果如图9 所示，与理论分析一致[6]。

7 结论

通过以上介绍，可以看出Multisim在CMOS逻辑部件仿真应用中操作简单，只须从元件库中调出对应元件即可组成电路图，从虚拟仪器中调出所需仪器并将对应信号进行连接即可进行仿真，仿真结果显示方便直观快速，能够有效解决CMOS逻辑部件功能仿真问题。

Multisim的显著优点是操作简单，易于学习，缺点是仿真精度可能不如SPICE等专业仿真软件。

本论文仅对Multsim在CMOS逻辑电路的功能仿真应用进行了研究，后期将展开对CMOS电路的其他性能参数仿真应用研究。

参考文献：

[1] 张新喜.Multisim 14电子系统仿真与设计[M].2版.北京：机械工业出版社，2017.

[2] 赵全利.Multisim电路设计与仿真：基于Multisim 14.0平台[M].北京：机械工业出版社，2022.

[3] BAKER R J.CMOS电路设计、布局与仿真[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4] 余永来.Multisim与数字电子技术的结合应用[J].电子技术与软件工程，2021（15）：86-87.

[5] 李伟华.VLSI设计基础[M].3版.北京：电子工业出版社，2013.

[6] 任骏原.Multisim在触发器工作波形分析中的应用[J].现代电子技术，2010，33（15）：184-186.

【通联编辑：光文玲】