数字集成电路设计

数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙数字集成电路设计主讲教师：徐太龙合肥学院电子信息与电气工程系第1版1数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙•教材《集成电路原理与设计》甘学温、赵宝瑛、陈中建、金海岩编著北京大学出版社2数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙•参考书目•《数字集成电路—电路、系统与设计》[美]JanM.Rabaey等著周润德等译电子工业出版社•《专用集成电路设计实用教程》虞希清编著浙江大学出版社•《数字信号处理的FPGA实现》贝耶斯编著刘凌译清华大学出版社3数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙先修课程•《电路分析基础》•《数字电路逻辑设计》4数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙第1讲概述内容来自前述教材和网站：数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路与我们的生活6数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路与我们的生活1946年，世界第一台电子管计算机──埃尼克（ENIAC，数字积分计算机）。占地167平方米，重量达30吨，耗电160千瓦笔记本电脑是什么引起如此巨大的变化呢？微电子技术也被称为集成电路技术7数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙主要内容半导体基本知识半导体器件物理基础超大规模集成电路设计方法学组合门电路时序门电路数字信号处理的FPGA实现8数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙主要内容•数字集成电路入门介绍CMOS器件和制造工艺；介绍CMOS反相器和基本门；介绍延时、噪声和功耗；时序逻辑电路；存储器件；设计方法学。•学习和掌握内容根据成本、面积、速度、可靠性和功耗等指标理解、设计和优化数字集成电路。9数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙主要内容•集成电路基本概念•CMOS反相器•组合逻辑结构•时序逻辑门•设计方法学•时序•算术逻辑模块•存储器•数字信号处理的FPGA实现10数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙微电子技术微电子技术就是使电子元器件和电子设备微小型化的技术，其核心是集成电路。因此，微电子技术通常也被称为集成电路技术。微电子技术的兴起和迅猛发展促进和推动了计算机技术、通信技术等信息技术的快速发展。可以毫不夸张地说，没有微电子技术，就没有今天的信息社会。微电子技术是信息社会的基础。此外，微电子技术还促进了生物工程、海洋技术等高新技术的发展。11数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路集成电路（IntegratedCircuit,IC）就是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管等有源器件（简称器件）以及电阻、电容等无源器件（简称元件），按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体晶片上，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。集成电路通常也被称作芯片。一块半导体晶圆片可以加工成千上万颗芯片，芯片很小，却可以用晶圆片加工的方式实现规模化生产。集成电路具有元器件密度高、体积小、重量轻、功耗低、成本低以及可靠性高等诸多优点，实现了元器件、电路和系统的完美结合。集成电路的发明和应用，是人类二十世纪最重要的科技进步之一，它开辟了电子元器件及电子设备微小型化的新纪元。集成电路对国民经济建设、国防建设以及社会发展具有至关重要的战略地位和不可替代的核心关键作用。如果没有集成电路，就没有今天的信息社会，集成电路是信息社会的基础。它是现代科学技术的重要组成部分，是改造和提升传统产业的核心技术。12数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的发展历史•1947年12月晶体管的发明；美国贝尔实验室的巴丁和布拉顿制作出第一只点接触型半导体晶体管，观测到放大现象。•1948年1月肖克莱又提出了结型双极型晶体管的理论，并于1951年制作出结型晶体管。•1958年美国德州仪器公司的基比尔在半导体锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻等元器件，并用超声波焊接的方法将这些元器件通过金丝连接起来，形成一个小型电子电路。1959年2月申请专利，命名为集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）。•1959年7月美国仙童半导体公司的诺伊斯提出用淀积在二氧化硅膜上的导电膜作为元器件之间的连线，解决了集成电路中的互连问题，为利用平面工艺批量制作单片集成电路奠定了基础。•1960年仙童公司利用平面工艺制作出第一个单片集成电路系列，命名为“微逻辑”（Micrologic）。13数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的衡量人们通常用集成度来衡量集成电路的规模。那么什么是集成度呢？集成度就是一块集成电路芯片中包含元器件的数目。芯片集成度越高，其中包含的元器件数目就越多，其规模就越大，芯片往往能够实现更加复杂的电路和系统功能。人们通常用特征尺寸来衡量集成电路的制造工艺水平。什么是特征尺寸呢？特征尺寸通常是指集成电路中半导体器件的最小尺度，如MOS晶体管的栅极长度。特征尺寸是衡量集成电路制造和设计水平的重要尺度，特征尺寸越小，那么芯片的集成度越高、速度越快、性能越好。14数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙摩尔定律Intel公司的创始人之一摩尔（Moore）早在1965年就预测了集成电路迅速发展的趋势，提出集成度随时间指数增长的规律。1975年又进一步预测了未来的发展，指出集成度大约是每18个月翻一番的增长规律，或集成度每三年4倍的增长规律就是世界上公认的摩尔定律。摩尔分析了集成电路迅速发展的原因：特征尺寸不断缩小，大约每三年缩小倍；芯片面积不断增大，大约每三年增大1.5倍；器件和电路结构的不断改进。215数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的分类按集成度分按照集成度分，集成电路可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路以及巨大规模集成电路。名称集成度（数字MOS集成电路）小规模集成电路（SSI）＜100中规模集成电路（MSI）102～103大规模集成电路（LSI）103～105超大规模集成电路（VLSI）105～107大规模集成电路（ULSI）107～109巨大规模集成电路（GLSI）＞10916数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的分类按电路功能分按电路功能分，集成电路可分为数字集成电路、模拟集成电路以及数模混合集成电路。数字集成电路是对数字信号进行运算和处理的集成电路，目前大多数集成电路都是数字集成电路，如CPU（微处理器）、存储器、DSP（数字信号处理器）等。模拟集成电路处理的是连续变化的模拟信号，如运算放大器（用于放大信号）、模拟滤波器等。数模混合集成电路既包含数字电路又包含模拟电路，典型的有ADC（模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号）以及DAC（数模转换器，用于将数字信号转换为模拟信号）。17数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的分类按晶体管类型分按晶体管类型分，集成电路可分为单极型集成电路和双极型集成电路。单极型集成电路中晶体管只有一种载流子（电子或空穴）参与导电。最常用的单极型集成电路有CMOS集成电路，由于它具有功耗低、集成度高、成本低等优良特性，目前已成为应用最为广泛的集成电路。双极型集成电路中晶体管有两种载流子（电子和空穴）参与导电。最常用的双极型晶体管集成电路是TTL（晶体管－晶体管逻辑）集成电路，这种集成电路具有速度快、负载驱动能力强等特点，在模拟集成电路以及高速集成电路中有着广泛应用。此外，集成电路还可以按照制造材料或者应用领域来进行分类。例如砷化镓微波单片集成电路、磷化铟光电集成电路、碳化硅集成电路等。18数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙自1958年集成电路发明后，为适应技术的发展和市场的需求，集成电路产业分工经历了三次变革。1.20世纪70年代，IDM（IntegratedDeviceManufacture，集成器件制造商）在IC市场中充当主要角色，集成电路设计只作为附属部门而存在，集成电路设计和半导体制造工艺密切相关。2.20世纪80年代初期，无生产线的新型企业诞生，它被称为集成电路设计公司（Fabless）。Fabless诞生的最初几年中，其加工业务仍委托IDM完成。1987年1月，TSMC（台湾积体电路制造股份有限公司）成立，开创了专业集成电路制造服务的新生产模式（又称晶圆代工，或Foundry）。Fabless与Foundry相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。集成电路产业分工19数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙3.20世纪90年代，集成电路产业分工向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业（Fabless）、制造业（Foundry）、封装业、测试业独立成行的局面。如今，IDM由于其高额利润仍占有集成电路产业的绝大部分市场份额，但随着集成电路的不断发展，集成电路产业分工将日益细化，集成电路产品设计与制造、封装、测试各环节之间的关联性、协同性要求也就越高。集成电路产业分工20数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路无处不在，它在诸多领域扮演着重要的角色。集成电路是国民经济的战略性产业，它不仅能创造高于自身几十倍的产值，还能产生新的经济增长点；它又是信息社会的基础，没有它就没有实现信息化的关键部件；国防上，现代武器装备得靠它，关系国家安全的芯片也得靠它；集成电路还带动了一批高新技术的发展，进而点燃了新技术革命的火炬。集成电路的重要性21数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的重要性硅片战胜钢铁在总结1991年海湾战争的经验教训时，一位美国将军曾精辟地说过一句话：“硅片战胜了钢铁”。集成电路的战略地位作用更加突出地表现在对当代国民经济的贡献上，它对国民经济的贡献要远远超过钢铁行业。过去一个国家的综合国力以钢铁产量为主要标志，而今代替钢铁的是微电子技术。22数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的重要性集成电路－信息社会的基础在信息技术高速发展的背景下，人类正在步入信息社会，而集成电路是信息社会的基础。信息社会的大脑是计算机，没有计算机，信息就无法储存和处理。信息社会的神经是通信，没有通信，信息就不可能传递。但无论是计算机还是通信，都离不开集成电路，它是计算机和通信发展、空前普及的共同基础。社会信息化的程度取决于对信息的掌握、处理能力和应用程度，而集成电路可以将信息处理、存储、传输等在小小的芯片中完成。芯片的“智慧”和使用程度很大程度上决定了信息社会的水平。目前，集成电路在高速发展的同时，已经渗透到信息社会的各个领域中，如工农业生产、国防装备以及家庭生活等各个领域。23数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙集成电路的重要性集成电路与现代国防在现代战争中，争夺“制电磁权”的电子战和信息优势的信息战直接关系到战争的成败。而电子战和信息战所使用的装备系统都依赖于集成电路。小小的硅片就像神奇的魔术师一般，经它“点沙成金”后，武器装备便插上了现代化的翅膀，使其多能化、自动化、数字化和高速化，在现代化战争中大显身手。24数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙本章重点内容•集成电路的概念•集成电路的衡量指标•集成电路的分类•摩尔定律25数字集成电路设计数字集成电路设计合肥学院电子信息与电气工程系徐太龙第2讲PN结内容来自冯军、谢嘉奎主编《电子线路-线性部分》第五版