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-课程设计任务书学生姓名:王伟专业班级:电子1001班指导教师: 刘金根 工作单位: 信息工程学院 题 目: 基于CMOS的二输入与门电路初始条件:计算机、Cadence软件、L-Edit软件要求完成的主要任务: 包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求1、课程设计工作量:2周2、技术要求:1学习Cadence IC软件和L-Edit软件。2设计一个基于CMOS的二输入的与门电路。3利用Cadence和L-Edit软件对该电路进展系统设计、电路设计和幅员设计,并进展相应的设计、模拟和仿真工作。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作标准要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印,图纸应符合绘图标准。时间安排:2013.11.22布置课程设计任务、选题;讲解课程设计具体实施方案与课程设计报告格式的要求;课程设计答疑事项。201-11.27学习Cadence IC和L-Edit软件,查阅相关资料,复习所设计内容的根本理论知识。201-12.5对二输入与门电路进展设计仿真工作,完成课设报告的撰写。2013.12.6 提交课程设计报告,进展辩论。指导教师签名: 年 月 日系主任或责任教师签名: 年 月 日目 录摘要.2绪论.3一、设计要求4二、设计原理4三、设计思路43.1、非门电路43.2、二输入与非门电路63.3、二输入与门电路8四、二输入与门电路设计94.1、原理图设计94.2、仿真分析104.3、生成网络表13五、幅员设计205.1、PMOS管幅员设计.205.2、NMOS管幅员设计.225.3、与门幅员设计.235.4、总幅员DRC检查及SPC文件的生成.25六、心得体会.28七、参考文献.29八、附录.30摘要本文从设计到仿真以及后面的幅员制作等主要用到了Cadence IC软件和L-Edit软件等。设计的题目是基于CMOS的二输入与门电路,电路设计的思路是使用一个二输入的与非门加一个反相器来实现二输入与门的功能,其中电路设计局部用的是Cadence IC软件,仿真局部主要做的是时序仿真,后面的幅员制作用的是L-Edit软件,由于幅员制作只使用了一个L-Edit软件,所以幅员完成之后只做了一个根本的DRC检查。关键词:CMOS门电路、与非门、非门、与门AbstractIn this paper, from design to production simulation and the back of the map, mainly use the Cadence IC software and L - Edit software, etc. Design the topic is based on CMOS two input and gate, circuit design train of thought is to use a two input nand gate and an inverter to realize the input and the function of the door, the circuit design part with Cadence IC software, main do is timing simulation, simulation of the back of the map production using L - Edit software, due to the map making only USES a L - Edit software, so the layout is completed only done a basic DRC check.Keywords: CMOS gate, NAND gate, NOT gate, AND gate绪论随着微电子技术的快速开展,人们生活水平不断提高,使得科学技术已融入到社会生活中每一个方面。而对于现代信息产业和信息社会的根底来讲,集成电路是改造和提升传统产业的核心技术。随着全球信息化、网络化和知识经济浪潮的到来,集成电路产业的地位越来越重要,它已成为事关国民经济、国防建立、人民生活和信息平安的根底性、战略性产业。集成电路有两种。一种是模拟集成电路。另一种是数字集成电路。从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。而在数字集成电路中应用最广泛的就是CMOS集成电路,CMOS集成电路出现于20世纪60年代后期,随着其制造工艺的不断进步,CMOS电路逐渐成为当前集成电路的主流产品。本课程设计讲的是数字集成电路幅员设计的根本知识。然而在数字集成电路中CMOS门电路的制作是非常重要的。本文便是讨论的CMOS与门电路的设计仿真及幅员等的设计。幅员(Layout)是集成电路设计者将设计并模拟优化后的电路转化成的一系列几何图形,包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关器件的所有物理信息。集成电路制造厂家根据 幅员 来制造掩膜。幅员的设计有特定的规则,这些规则是集成电路制造厂家根据自己的工艺特点而制定的。不同的工艺,有不同的设计规则。设计者只有得到了厂家提供的规则以后,才能开场设计。幅员在设计的过程中要进展定期的检查,防止错误的积累而导致难以修改。很多集成电路的设计软件都有设计幅员的功能,L-Edit软件的的幅员设计软件帮助设计者在图形方式下绘制幅员。 对于复杂的幅员设计,一般把幅员设计分成假设干个子步骤进展: 1划分 为了将处理问题的规模缩小,通常把整个电路划分成假设干个模块。 2幅员 规划和布局是为了每个模块和整个芯片选择一个好的布图方案。 3布线 完成模块间的互连,并进一步优化布线结果。 4压缩 是布线完成后的优化处理过程,他试图进一步减小芯片的面积。一、设计要求1、要求:用MOS器件来设计二输入与门电路。2、内容:用Cadence软件进展电路原理图的绘制,生成网络表并进展交直流分析及瞬态分析。3、用L-Edit软件进展电路幅员的制作及DRC的检查。二、设计原理二输入与门有两个输入端A和B以及一个输出端Q,只有当A端和B端同时为高电平时输出才为高电平,否则输出都为低电平,即Q=AB。与门的电路符号和真值表如图1所示: ABQ 00001 0 100111图1 与门逻辑符号和真值表由于此次是用CMOS管构建的二输入与门,而CMOS管的根本门电路有非门、与非门、或非门等,所以要想实现用CMOS管搭建出二输入与门电路,由关系式Q=AB可知可以用一个二输入与非门和一个非门连接,这样就可以实现一个二输入与门的电路。本次设计就是用一个二输入与非门加一个非门从而实现了二输入与门的功能。三、设计思路3.1非门电路CMOS非门即反相器是由一个N管和一个P管组成的,P管源极接Vdd,N管源极接GND,假设输入IN为低电平,则P管导通,N管截止,输出OUT为高电平。假设输入IN为高电平,则N管导通,P管截止,输出OUT为低电平。从而该电路实现了非的逻辑运算,构成了CMOS反相器。CMOS反相器的电路图如下列图2所示.图2 CMOS反相器电路图当Ui=UIH=VDD,VTN导通,VTP截止,Uo=Uol0V当Ui=UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,UO=UOHVDD低电平输出特性当输出为低电平时,即v0=VOL时,反相器的P沟道管截止、N沟道管导通,工作状态如图3所示,低电平输入特性如图4所示。图3 CMOS反相器的低电平输出状态图4 CMOS反相器的低电平输出特性(2)高电平输出特性当输出为高电平时,即v0=VOH时,反相器的N沟道管截止、P沟道管导通,工作状态如图5所示,低电平输入特性如图6所示。图5 CMOS反相器的高电平输出状态图6 低电平输入特性还有就是CMOS电路的优点:1微功耗。CMOS电路静态电流很小,约为纳安数量级。2抗干扰能力很强。输入噪声容限可到达VDD/2。3电源电压范围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压范围内正常工作。4输入阻抗高。5负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。6逻辑摆幅大低电平0V,高电平VDD3.2二输入与非门电路二输入CMOS与非门电路,其中包括两个个串联的N沟道增强型MOS管和两个个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。当输入端A、B中只要有一个为低电平时,就会使与它相连的NMOS管截止,与它相连的PMOS管导通,输出为高电平;仅当A、B全为高电平时,才会使两个个串联的NMOS管都导通,使两个个并联的PMOS管都截止,输出为低电平。设计电路图如下列图7所示:图7 CMOS与非门电路二输入与非门电路的逻辑符号和真值表如下列图8所示:图8 A B Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 如上图7中所示,设CMOS管的输出高电平为1”,低电平为0”,图中T2、T4为两个串联的NMOS管,T1、T3为两个并联的PMOS管,每个输入端A或B都直接连到配对的NMOS管驱动管和PMOS负载管的栅极。当两个输入中有一个或一个以上为低电平0”时,与低电平相连接的NMOS管仍截止,而PMOS管导通,使输出Y为高电平,只有当两个输入端同时为高电平1”时,T2、T4管均导通,T1、T3管都截止,输出Y为低电平。由以上分析可知,该电路实现了逻辑与非功能,即Y=。3.3二输入与门电路在本次设计中,二输入CMOS与门电路是由一个二输入CMOS与非门电路和一个非门反相器组成,其中二输入与非门包括两个个串联的N沟道增强型MOS管和两个个并联的P沟道增强型MOS管,而反相器是由一个N管和一个P管组成的。二输入与非门的输出即为反相器的输入,A、B输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极,输出极Q为反相器的输出端。当输入端A、B中只要有一个为低电平时,与非门局部就会使与它相连的NMOS管截止,与它相连的PMOS管导通,输出为高电平,从而使反相器的输入为高电平,使反相器的NMOS管导通PMOS管截止,使反相器输出即Q端输出低电平;仅当A、B全为高电平时,才会使与非门局部的两个串联的NMOS管都导通,使两个个并联的PMOS管都截止,输出为低电平进而使反相器局部的PMOS管导通NMOS管截止,使输出端Q输出高电平,这样也就实现了二输入与门的功能。设计电路图如下列图8所示:图8与门电路的逻辑符号和真值表如上文的图1中所示。四、二输入与门电路设计4.1原理图设计首先翻开Cadence16.5选择其中的Design Entry CIS子软件,在弹出的窗口中选择orCAD Capture CIS,如下列图9所示: 图9软件选择进入工作界面之后在菜单栏中选择File按钮然后选择New选项下面的子选项Project来建立新的工程,如下列图10所示:图10 新建工程文件点击OK之后就能进入工作界面,如下列图11所示:图11 Cadence工作界面点击菜单栏中的Place按钮选择Part选项调出元件库,然后点击右边中的处加载需要用到的一些元件库。从组件库引用模块:编辑反相器电路会利用到NMOS, PMOS, Vdd 与Gnd 这4 个模块,所以要从组件库中复制NMOS, PMOS, Vdd 与Gnd 这4 个模块到文件,并在PAGE1编辑画面中引用。最后画好的电路原理图如下列图12中所示:图12 二输入与门电路原理图4.2仿真分析电路原理图画好之后接下来便是仿真分析了,Cadence软件提供了直流分析、交流分析、瞬态分析和静态工作点分析等四种分析模式。然而本次我们做的是门电路,输入输出信号都是电平信号,研究的是输入输出信号随时间的变化关系,所以只需要做瞬态分析就行了。首先点击菜单栏中的Pspice按钮选择New Simulation命令来新建一个仿真文件,在Name中输入仿真文件名,点击Creat后,在原来的工程文件夹中就会自动生成一个相应名字的文件夹,后面所做的仿真结果和工程均保存在该文件夹下,如下列图13中所示图13 仿真文件建立完成上面的操作之后,会弹出如下列图14中所示的仿真参数设置窗口图14 仿真参数设置窗口在Analysis type分析类型中我们选取Time DomainTransient瞬态分析,然后在后边的起始时间和终止时间分别设置0和300ms,分析时间步长设置为0.1ms。完成之后点确定。再在仿真工具栏中点击图标来进展仿真。这样又调出了Pspice的界面,再点击来参加观测波形,如下列图15中所示: 图13 仿真端口选择界面最后出现的A输入端的波形如下列图14中所示:图14 A输入端波形最后为了同时观测到A、B输入端和输出端Q的波形,还能点击Plot菜单下的Add Plot to Window命令来增加窗口显示的波形,最后参加B输入口和Q输出口后的波形如下列图15中所示:图15 输入输出端波形显示从图中可以看到只有当A端口和B端口同时为高电平时输出口Q才为高电平,否则输出口Q一直为低电平,波形显示出电路符合与门电路的功能,即Q=AB。而且从图中还能看到输出口Q的波形中有一些分立线状波形,这些是由于A输入端和B输入端处在上升或者下降沿的时候虽然电平并不是标准的高电平,但电压并不为0,在仿真的时候软件将这些电平统一作高电平处理,所以才会出现一些分立的线状波形存在。4.3生成网络表电路仿真成功之后接下来就能生成网络表了,点击仿真界面左侧的图标View Simulation Output File就能看到生成的网络表,该电路的网络表如下:* 12/21/13 23:02:10 * PSpice (April 2011) * ID# 0 * * Profile: SCHEMATIC1-yumen D:cadence projectyumendianlu-pspicefilesschematic1yumen.sim * CIRCUIT DESCRIPTION* Creating circuit file yumen.cir * WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS*Libraries: * Profile Libraries :* Local Libraries :* From PSPICE NETLIST section of E:CadenceSPB_16.5toolsPSpicePSpice.ini file:.lib nom.lib *Analysis directives: .TRAN 0 300ms 0 0.1m.PROBE V(alias(*) I(alias(*) W(alias(*) D(alias(*) NOISE(alias(*) .INC .SCHEMATIC * INCLUDING SCHEMATIC * source YUMENDIANLU.E*TERNAL OUTPUT QM_M1 N00323 N00394 N00265 N00265 MbreakP M_M2 N00323 N00285 N00265 N00265 MbreakP M_M3 N00323 N00285 N00351 0 MbreakN M_M4 N00351 N00394 0 0 MbreakN M_M6 Q N00323 0 0 MbreakN M_M5 Q N00323 N00265 N00265 MbreakP V_V1 N00265 0 5VdcV_A N00285 0 +PULSE 0 5 0 0.4us 0.5us 10ms 20msV_B N00394 0 +PULSE 0 5 0 0.4us 0.5us 20ms 40ms* RESUMING yumen.cir *.END* 12/21/13 23:02:10 * PSpice (April 2011) * ID# 0 * * Profile: SCHEMATIC1-yumen D:cadence projectyumendianlu-pspicefilesschematic1yumen.sim * MOSFET MODEL PARAMETERS* MbreakP MbreakN PMOS NMOS LEVEL 1 1 L 100.000000E-06 100.000000E-06 W 100.000000E-06 100.000000E-06 VTO 0 0 KP 20.000000E-06 20.000000E-06 GAMMA 0 0 PHI .6 .6 LAMBDA 0 0 IS 10.000000E-15 10.000000E-15 JS 0 0 PB .8 .8 PBSW .8 .8 CJ 0 0 CJSW 0 0 CGSO 0 0 CGDO 0 0 CGBO 0 0 TO* 0 0 *J 0 0 UCRIT 10.000000E+03 10.000000E+03 DIOMOD 1 1 VFB 0 0 LETA 0 0 WETA 0 0 U0 0 0 TEMP 0 0 VDD 5 5 *PART 0 0 * 12/21/13 23:02:10 * PSpice (April 2011) * ID# 0 * * Profile: SCHEMATIC1-yumen D:cadence projectyumendianlu-pspicefilesschematic1yumen.sim * INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C* NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE( Q) 50.10E-09 (N00265) 5.0000 (N00285) 0.0000 (N00323) 5.0000 (N00351)-543.6E-09 (N00394) 0.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V1 -1.002E-11 V_A 0.000E+00 V_B 0.000E+00 TOTAL POWER DISSIPATION 5.01E-11 WATTS JOB CONCLUDED* 12/21/13 23:02:10 * PSpice (April 2011) * ID# 0 * * Profile: SCHEMATIC1-yumen D:cadence projectyumendianlu-pspicefilesschematic1yumen.sim * JOB STATISTICS SUMMARY* Total job time (using Solver 1) = .28五、幅员设计5.1PMOS管幅员设计由于L-Edit软件在进展电路幅员设计之前首先得进展元器件幅员的设计,而在本次电路中用到的元器件有PMOS管和NMOS管,所以在画与门幅员之前首先要先绘制好PMOS管和NMOS管的幅员。1翻开L-Edit程序:L-Edit会自动将工作文件命名为Layout1.tdb并显示在窗口的标题栏上,如下列图16中所示。2另存为新文件:选择执行File/Save As子命令,翻开另存为对话框,在保存在下拉列表框中选择存贮目录,在文件名文本框中输入新文件名称,如E*1。图16 L-Edit菜单栏3替换设置信息:用于将已有的设计文件的设定如格点、图层等 应用于当前的文件中。选择执行File/Replace Setup子命令翻开对话框,单击From File栏填充框的右侧的Browser按钮,选择*: Ledit1.1SamplesSPRe*ample1lights.tdb文件,如下列图17所示,单击OK就将lights.tdb文件中的格点、图层等设定应用在当前文件中。图17 替换设置信息窗口图18 L-Edit工作窗口设置好这些之后其它的都选择系统默认的值就行,然后就可以开场元件幅员的绘制了。首先绘制PMOS管的N Well层,在Layers面板的下拉列表中选取N Well选项,再从Drawing工具栏中选择按钮,在Cell0编辑窗口画出横向24格纵向15格的方形即为N Well,如图18中所示。画好N Well层之后然后再继续按照规则一步步绘制好Active层、P Select层、Ploy层、Active Contact层、Metal1层等,每设计好一层并将其摆放到规定的位置,然后进展一次DRC检查,确认是否有错误,一切都无误之后就能保存了,制作好的PMOS幅员如图19中所示。图19 PMOS管幅员5.2NMOS管幅员设计在PMOS管设计好并保存之后就能开场绘制NMOS管的幅员了,新建NMOS单元:选择Cell/New命令,翻开Create New Cell对话框,在其中的New cell name栏中输入nmos,单击OK按钮。绘制NMOS单元:根据绘制PMOS单元的过程,依次绘制Active图层、N Select图层、Ploy图层、Active Contact图层与Metal1图层,完成后的NMOS单元如图20中所示。其中,Active宽度为14个栅格,高为5个栅格;Ploy宽为2个栅格,高为9个栅格;N Select宽为18个栅格,高为9个栅格;两个Active Contact的宽和高皆为2个栅格;两个Metal1的宽和高皆为4个栅格。图20 NMOS管幅员5.3与门幅员设计在前两步中分别已经做好了PMOS管和NMOS管的幅员设计,接下来就能开场进展与门幅员的搭建和连线了。启动L-Edit程序,将文件另存为E*2,将文件lights.tdb应用在当前的文件中,设定坐标和栅格。复制单元:执行Cell/Copy命令,翻开Select Cell to Copy对话框,将E*1.tdb中的nmos单元和pmos单元复制到E*2.tdb文件中。引用nmos和pmos单元:执行Cell/Instance命令,翻开Select Cell toInstance对话框,选择nmos单元单击OK按钮,可以在编辑画面出现一个nmos单元;再选择pmos单元单击OK,在编辑画面多出一个与nmos重叠的pmos单元,可以用Alt键加鼠标拖曳的方法分开pmos和nmos,如图21中所示。图21 元件引用由于本次绘制与门电路需要用到3个PMOS管和3个NMOS管,所以上步中的引用pmos和nmos单元分别需要进展三次,然后再进展元器件之间的电路连接。连接pmos和nmos的漏极:由于反相器pmos和nmos的漏极是相连的,可利用Metal1将nmos与pmos的右边扩散区有接触点处相连接,绘制出Metal1宽为4个栅格、高为11个栅格,进展电气检查,没有错误,如图22中所示。图22 幅员DRC检查按照电路原理图一步一步将所有的线路都连接好,然后再标出Vdd、GND节点以及输入输出端口A、B、Q等节点。例如标注Vdd和GND节点的方法是单击插入节点图标,再到绘图窗口中用鼠标左键拖曳出一个与上方电源线重叠的宽为39栅格、高为5个栅格的方格后,将自动出现Edit Object(s)对话框,在On框的下拉列表中选择Metal1,如图22中所示。在Port name栏内键入Vdd,在Te*t Alignment选项中选择文字相对于框的位置的右边。然后单击确定按钮。用同样的方式标出GND、A、B以及Q。图22 输入输出节点设置放好上面的所有节点标号之后最整个二输入与门电路的幅员就算做好了,接下来再进展单元名称的修改。执行Cell/Rename Cell命令,翻开Rename Cell Cell0对话窗口,将cell名修改为yumen。最后画好的完整幅员如下列图23中所示。图23 二输入与门电路幅员5.4总幅员DRC检查及SPC文件的生成幅员画好之后接下来就是做总幅员DRC、ERC、LVS检查以及SPC文件的生成,由于本次设计是用的Cadence软件做的电路原理图设计,而幅员设计是用的L-Edit软件,所以无法做LVS检查,同时由于L-Edit软件只提供了DRC检查,所以本次设计只做DRC检查。选择Tools/DRC命令,翻开Design Rule Check对话框,选中Write errors to files复选框将错误工程记录到yumen.drc文件或自行取文件名,单击确定按钮,进展设计规则检查,结果如图24中所示图24 二输入与门幅员DRC检查从图28中可以看到,整个与门电路的幅员DRC没有错误,然后接下来就能生成SPC文件了。执行Tools/E*tract命令或单击图标,翻开E*tract对话框,在E*tract definition file栏内选择*: Ledit11.1Samples SPRe*ample1lights.e*t文件,如图25所示。图25 SPC文件设置界面选择Output标签页,在Comments栏中,选择Write nodes name选项,在Write nodes and devices as栏内选中Names项,即设定输出节点以名字出现,并在SPICE include statement栏内输入.include *: Tspice81modelsm12_125.md,然后单击Run按钮,即可提取yumen.spc文件,执行File/Open命令,翻开yumen.spc文件。最后与门电路的SPC文件如下:* Circuit E*tracted by Tanner Researchs L-Edit Version 11.10 / E*tract Version 11.10 ;* TDB File: D:课件L-Edit 11.1L-Edit 11.1L-Edit 11.1workdeskE*2.tdb* Cell: yumenVersion 1.04* E*tract Definition File: .samplesspre*ample1lights.e*t* E*tract Date and Time: 12/20/2013 - 20:17.include D:课件L-Edit 11.1L-Edit 11.1L-Edit 11.1workdeske*t_devc.md* Warning: Layers with Unassigned FRINGE Capacitance.* * * NODE NAME ALIASES* 1 = OUT (34,291)* 2 = Vdd (-111,309)* 3 = GND (-111,270)* 5 = B (-35.5,285)* 6 = A (-95,286)M1 OUT 4 Vdd Vdd PMOS L=2u W=5u $ (31 301.5 33 306.5)M2 OUT 4 GND GND NMOS L=2u W=5u $ (31 277.5 33 282.5)M3 4 B Vdd Vdd PMOS L=2u W=5u $ (-25.5 301 -23.5 306)M4 4 A Vdd Vdd PMOS L=2u W=5u $ (-85 301 -83 306)M5 4 B GND GND NMOS L=2u W=5u $ (-25.5 277.5 -23.5 282.5)M6 4 A GND GND NMOS L=2u W=5u $ (-85 277.5 -83 282.5)* Total Nodes: 6* Total Elements: 6* Total Number of Shorted Elements not written to the SPICE file: 0* Output Generation Elapsed Time: 0.015 sec* Total E*tract Elapsed Time: 2.296 sec.END六、心得体会此次课程设计在教师的悉心指导,同学们的热情帮助下,我已圆满完成了本次课程设计的要求。从课题选择到具体构思和内容以及数据的测试,我深刻体会到做事情不能急躁,从电路原理图的绘制到仿真,再到幅员的制作,每一步都要要细心仔细的去完成。在这周时间所经历的学习和生活,我深刻感受到教师的精心指导和无私的关心,让我受益匪浅。本次课程设计的名称为二输入与门电路设计,经过此次课设使我对Cadence软件和L-Edit软件的使用都有了更深刻的了解,这将对我以后的学习和工作带来莫大的帮助。八、参考文献权海洋主编。超大规模集成电路设计与实践,西安电子科技大学出版社,2003年出版。 高德远主编。超大规模集成电路系统和电路的设计原理,高等教育出版社,2003年出版。 贾新章等. OrCAD/Capture CIS 9实用教程。 西安电子科技大学出版社,2000年出版。贾新章等. OrCAD/Capture 9实用教程。 西安电子科技大学出版社,1999年出版。邓红辉等译。CMOS集成电路幅员-概念、方法与工具,电子工业出版社,2006年3月出版。孙润等编著。TANNER集成电路设计教程第一、二册,北京希望电子出版九、附录7.1二输入与门电路原理图7.2二输入与门电路幅员. z.
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