CMOS數字集成電路設計 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 查爾斯·霍金斯（Charles Hawkins） 等 著

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111529330

版次：1

商品編碼：11907609

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 國外電子與電氣工程技術叢書

開本：16開

齣版時間：2016-04-01

用紙：膠版紙

頁數：242

內容簡介

　　本書中文簡體字版由IET授權機械工業齣版社齣版。未經齣版者書麵許可，不得以任何方式復製或抄襲本書內容。
　　本書涵蓋瞭CMOS數字集成電路的設計技術，教材的編寫采用新穎的講述方法，並不要求學生已經學習過模擬電子學的知識，有利於教師靈活地安排教學計劃。本書完全放棄瞭涉及雙極型器件的內容，隻關注數字集成電路的主流工藝——CMOS數字電路設計。書中引入大量的實例，每章後也給齣瞭豐富的習題，使得學生能夠將學到的知識與實際結閤。本書可作為CMOS數字集成電路的本科教材。

目錄

齣版者的話
譯者序
序
前言
第1章　基本邏輯門和電路原理1
1.1　邏輯門和布爾代數1
1.2　布爾和邏輯門化簡3
1.3　時序電路4
1.4　電壓和電流定律6
1.4.1　端口電阻的觀察法分析6
1.4.2　基爾霍夫電壓定律與觀察法分析7
1.4.3　基爾霍夫電流定律與觀察法分析9
1.4.4　基於觀察法的分壓器和分流器混閤分析10
1.5　電阻的功率消耗11
1.6　電容13
1.6.1　電容器能量與功率14
1.6.2　電容分壓器15
1.7　電感16
1.8　二極管非綫性電路分析16
1.9　關於功率19
1.10　小結20
習題20
第2章　半導體物理24
2.1　材料基礎24
2.1.1　金屬、絕緣體和半導體24
2.1.2　半導體中的載流子：電子與空穴25
2.1.3　確定載流子濃度26
2.2　本徵半導體和非本徵半導體27
2.2.1　n型半導體28
2.2.2　p型半導體29
2.2.3　n型與p型摻雜半導體中的載流子濃度30
2.3　半導體中的載流子輸運30
2.3.1　漂移電流31
2.3.2　擴散電流32
2.4　pn結34
2.5　pn結的偏置35
2.5.1　pn結正偏壓36
2.5.2　pn結反偏壓36
2.6　二極管結電容37
2.7　小結38
參考文獻38
習題38
第3章　MOSFET40
3.1　工作原理40
3.1.1　作為數字開關的MOSFET40
3.1.2　MOSFET的物理結構41
3.1.3　MOS晶體管工作原理：一種描述性方法42
3.2　MOSFET輸入特性44
3.3　nMOS晶體管的輸齣特性與電路分析44
3.4　pMOS晶體管的輸齣特性與電路分析49
3.5　含有源極和漏極電阻的MOSFET53
3.6　MOS晶體管的閾值電壓54
3.7　小結55
參考文獻56
習題56
第4章　金屬互連綫性質60
4.1　金屬互連綫電阻60
4.1.1　電阻和熱效應62
4.1.2　薄膜電阻63
4.1.3　通孔電阻64
4.2　電容67
4.2.1　平行闆模型67
4.2.2　電容功率68
4.3　電感69
4.3.1　電感電壓69
4.3.2　導綫電感70
4.3.3　電感功率70
4.4　互連綫RC模型71
4.4.1　短綫的電容模型71
4.4.2　長綫的電阻電容模型72
4.5　小結74
參考文獻74
習題74
第5章　CMOS反相器77
5.1　CMOS反相器概述77
5.2　電壓轉移麯綫78
5.3　噪聲容限79
5.4　對稱電壓轉移麯綫81
5.5　電流轉移麯綫82
5.6　VTC圖形分析83
5.6.1　靜態電壓轉移麯綫83
5.6.2　動態電壓轉移麯綫85
5.7　反相器翻轉速度模型86
5.8　CMOS反相器功耗88
5.8.1　瞬態功耗88
5.8.2　短路功耗89
5.8.3　靜態泄漏功耗91
5.9　功耗與電源電壓調整91
5.10　調整反相器緩衝器尺寸以驅動大負載92
5.11　小結94
參考文獻94
習題94
第6章　CMOS“與非”門、“或非”門和傳輸門97
6.1　“與非”門97
6.1.1　電路行為98
6.1.2　“與非”門的非控製邏輯狀態98
6.2　“與非”門晶體管尺寸調整100
6.3　“或非”門102
6.3.1　電路行為102
6.3.2　“或非”門的非控製邏輯狀態102
6.4　“或非”門晶體管尺寸調整105
6.5　通過門與CMOS傳輸門108
6.5.1　通過門108
6.5.2　CMOS傳輸門109
6.5.3　三態邏輯門110
6.6　小結110
習題111
第7章　CMOS電路設計風格115
7.1　布爾代數到晶體管電路圖的轉換115
7.2　德摩根電路的綜閤118
7.3　動態CMOS邏輯門120
7.3.1　動態CMOS邏輯門的特性120
7.3.2　動態電路中的電荷共享121
7.4　多米諾CMOS邏輯門123
7.5　NORA CMOS邏輯門125
7.6　通過晶體管邏輯門125
7.7　CMOS傳輸門邏輯設計127
7.8　功耗及活躍係數128
7.9　小結132
參考文獻132
習題132
第8章　時序邏輯門設計與時序137
8.1　CMOS鎖存器138
8.1.1　時鍾控製的鎖存器138
8.1.2　門控鎖存器139
8.2　邊沿觸發的存儲元件140
8.2.1　D觸發器140
8.2.2　時鍾的邏輯狀態141
8.2.3　一種三態D觸發器設計141
8.3　邊沿觸發器的時序規則142
8.3.1　時序測量143
8.3.2　違反時序規則的影響144
8.4　D觸發器在集成電路中的應用145
8.5　帶延時元件的tsu和thold145
8.6　包含置位和復位的邊沿觸發器147
8.7　時鍾生成電路148
8.8　金屬互連綫寄生效應151
8.9　時鍾漂移和抖動151
8.10　芯片設計中的整體係統時序152
8.10.1　時鍾周期約束152
8.10.2　時鍾周期約束與漂移153
8.10.3　保持時間約束153
8.10.4　考慮漂移和抖動的時鍾周期約束154
8.11　時序與環境噪聲156
8.12　小結157
參考文獻157
習題158
第9章　IC存儲器電路163
9.1　存儲器電路結構164
9.2　存儲器單元165
9.3　存儲器譯碼器166
9.3.1　行譯碼器166
9.3.2　列譯碼器167
9.4　讀操作168
9.5　讀操作的晶體管寬長比調整169
9.6　存儲器寫操作170
9.6.1　單元寫操作170
9.6.2　鎖存器轉移麯綫170
9.7　寫操作的晶體管寬長比調整171
9.8　列寫電路173
9.9　讀操作與靈敏放大器174
9.10　動態存儲器177
9.10.1　3晶體管DRAM單元177
9.10.2　1晶體管DRAM單元178
9.11　小結179
參考文獻179
習題179
第10章　PLA、CPLD與FPGA181
10.1　一種簡單的可編程電路——PLA181
10.1.1　可編程邏輯門182
10.1.2　“與”/“或”門陣列183
10.2　下一步：實現時序電路——CPLD184
10.2.1　引入時序模塊——CPLD184
10.2.2　更先進的CPLD186
10.3　先進的可編程邏輯電路——FPGA190
10.3.1　Actel ACT FPGA191
10.3.2　Xilinx Spartan FPGA192
10.3.3　Altera Cyclone Ⅲ FPGA194
10.3.4　如今的FPGA196
10.3.5　利用FPGA工作——設計工具196
10.4　理解編程寫入技術196
10.4.1　反熔絲技術196
10.4.2　EEPROM技術198
10.4.3　靜態RAM開關技術199
參考文獻199
第11章　CMOS電路版圖200
11.1　版圖和設計規則200
11.2　版圖設計方法：布爾方程、晶體管原理圖和棒圖201
11.3　利用PowerPoint進行電路版圖布局202
11.4　設計規則和最小間距203
11.5　CMOS反相器的版圖布局204
11.5.1　pMOS晶體管的版圖204
11.5.2　重溫pMOS晶體管版圖的設計規則205
11.5.3　nMOS晶體管版圖205
11.5.4　將晶體管閤並到共同的多晶矽柵下206
11.6　根據設計規則最小間距繪製完整的CMOS反相器207
11.7　多輸入邏輯門的版圖207
11.8　閤並邏輯門標準單元版圖209
11.9　更多關於版圖的內容210
11.10　版圖CAD工具211
11.11　小結211
第12章　芯片是如何製作的212
12.1　集成電路製造概覽212
12.2　矽晶圓片的製備213
12.3　生産綫的前端和後端213
12.4　生産綫前端工藝技術214
12.4.1　矽的氧化214
12.4.2　光刻214
12.4.3　蝕刻216
12.4.4　沉積和離子注入216
12.5　清潔和安全性操作217
12.6　晶體管的製造218
12.7　生産綫後端工藝技術218
12.7.1　濺射工藝219
12.7.2　雙金屬鑲嵌法（大馬士革工藝）219
12.7.3　層間電介質及最終鈍化220
12.8　CMOS反相器的製造220
12.8.1　前端工藝操作220
12.8.2　後端工藝操作221
12.9　芯片封裝221
12.10　集成電路測試222
12.11　小結222
參考文獻222
章末偶數編號習題參考答案223
索引228

前言/序言

　　任何足夠先進的技術都與魔術沒什麼區彆。
　　——Arthur C.Clarke第三定律本書的目的是幫助你準備好為21世紀的計算機發展做齣貢獻。電子技術是人際交流和知識容量的巨大推動力。計算機的基礎是晶體管，計算機電子學處理電路的晶體管級行為，這些電路可以實現所有的計算機邏輯操作，比如加法、乘法、存儲、比較，以及任何由布爾方程所描述的運算。數十億的晶體管和它們之間的互連綫嵌入到又小又薄的矩形矽芯片中。這些小小的芯片中互連綫的總長度可以達到幾英裏，而其消耗的功率從幾微瓦到超過200瓦不等。芯片也可以稱作“集成電路”（Integrated Circuit，IC）。芯片是十分復雜的，而電子和計算機工程師必須從晶體管電路層級去理解計算機運算的原理。
　　工程師需要麵對許多挑戰。我們如何將數字電路知識同計算機體係架構結閤起來設計一個芯片？我們希望用多快的時鍾控製計算機，而我們需要從哪裏入手？我們如何將一塊芯片接入到電路闆中？我們可以容忍芯片多大的熱功耗——又如何降低功耗？作為一個客戶，又要如何同芯片的設計者提齣自己的要求？如果芯片齣現問題，需要返工到製造廠中評估，我們將從哪裏開始解決這一問題？當我們從工廠取迴第一塊芯片進行評估時，若發現錯誤，應從哪裏著手解決？芯片失效可能取決於溫度或電源電壓，並不僅僅是簡單的靜態布爾函數的錯誤。那麼我們需要什麼樣的技能和知識來協助我們識彆並修正這些問題？不管是芯片級工程師還是更高層的電路闆或係統級的工程師，解決方案往往存在於晶體管級的芯片特性之中。
　　電子學的知識是層級化的。半導體物理使用模型公式描述瞭二極管和晶體管的行為，使我們能夠計算晶體管電路中的結點電壓和支路電流。之後，特定的晶體管組閤構成瞭不同的邏輯門，如反相器、“與非”門、“或非”門、傳輸門、D觸發器，以及由任意的布爾錶達式導齣的更復雜的組閤邏輯門。這些邏輯門從電學上實現瞭布爾運算，定義瞭計算機的行為。我們必須理解它們的特性。電壓、電流、溫度、功耗、傳輸延時和噪聲容限都具有什麼特性？主時鍾振蕩器通過脈衝來驅動時序電路，使布爾運算的數據在計算機中的傳輸同步。時鍾的速度是一個重要的參數，它常常是顧客在購買計算機時關注的首要規格指標。第二重要的指標可能是計算機存儲器的容量。大量的存儲器電路被嵌入計算機芯片中。那麼，什麼是標準存儲器單元？存儲器又是如何組織的？現代計算機芯片會將占總數70%的晶體管用於嵌入式存儲器中。相比於將信號發往電路闆上的外部存儲器進行運算再取迴，嵌入芯片中的存儲器可以實現更快的運算速度。
　　我們可能把計算機領域發生的各種奇跡看作理所應當的——例如互聯網、智能手機、電子郵件、Google、汽車電子設備、生物醫療器械、GPS、YouTube、即時新聞、天氣預報、體育新聞、電子書、Facebook，沒錯，還有電子遊戲。你可能會問：“難道不是一直都這樣嗎？”答案是否定的——這些應用直到20世紀90年代早期纔齣現，所有這些現代産品都依賴於快速、成本低廉的小型計算機芯片。
　　晶體管和計算機——“願得白首不分離”
　　為瞭對我們的課程有更好的認識，讓我們追溯一下數字計算機發展過程中電子技術的進步，以及電子學在互聯網中的作用。我們不僅看到計算機嚮更小、更快、更廉價的方嚮發展的趨勢，還看到瞭多種因素引人注目的相互作用。互聯網不是憑空齣現的，計算機也不是。
　　X我們所知道的第一個計算機電路叫作觸發器，由英國人Eccles和Jordan在近100年前發明。一個觸發器會保持在兩個電平狀態的其中之一，直到一個外部電壓脈衝將其觸發到另一個狀態為止。觸發器存儲瞭一個電平狀態。那時候，人們還沒有提齣“計算機”的概念，因而觸發器在發明之後沉睡瞭許多年。但如今，從先進的互聯網服務器芯片，到現代咖啡機或洗碗機中的芯片，每片都有數百萬個觸發器。觸發器是同步數據傳輸的核心所在。
　　在20世紀30年代後期，結閤瞭布爾代數和機械開關的原始計算機被用來實現簡單的計算操作。第二次世界大戰激發瞭人們使用計算機進行科學計算的興趣。第一颱真空管計算機是1946年賓夕法尼亞大學製造的ENIAC。按照當時的標準，100kHz的時鍾頻率已經很快瞭。ENIAC重30t，尺寸為80×8.5×3.5ft3（1ft=0.3048m），功耗為150kW。古老的觸發器如今已經是計算機電子電路中不可或缺的一部分。然而，真空管是一個體積相對較大的器件，它需要一個玻璃密封的真空腔以及加熱的金屬填充縴維。這種真空管可靠性很差，而且其冷卻是一個大問題。因而計算機需要一種更好的器件。
　　在20世紀30年代，貝爾實驗室發現，可以在純的固態材料中構造齣小型開關元件。貝爾實驗室當時考慮用其替換電話交換中心那些又慢又笨重的繼電器，而沒有想到用其發展計算機。在1947年，他們取得瞭偉大的發現——一個叫作“晶體管”的小型固態器件。大約5年後，數傢公司都推齣瞭晶體管計算機産品。晶體管使計算機嚮體積更小、功耗更低且更可靠的方嚮邁齣瞭重大的一步。這些計算機使用的是裝在小型金屬罐內的分立的（單獨的）晶體管，而不是此後齣現的具有數十億晶體管的小型集成電路芯片。這些稱作“大型機”的計算機仍然需要放在專用的、冷卻良好的屋子裏，不過，20世紀70年代的另一個革命性發明使得計算機發展又邁齣瞭堅實的一步。
　　事實上，在晶體管層發生過許多變化。首先是原貝爾實驗室的“雙極型晶體管”（Bipolar Junction Transistor，BJT）很快被一種更新型的器件替代，它稱作“金屬氧化物半導體場效應晶體管”（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。一種將MOSFET混閤連接的設計風格稱作CMOS，其功耗顯著減小。功耗更小的CMOS使得一塊芯片上能放置更多的晶體管，而不必擔心芯片過熱，因而提高瞭計算機性能。CMOS還有一個特殊的性質，就是當晶體管尺寸變小時，晶體管的工作速度會更快。
　　CMOS晶體管的第三個特點是，其更小的尺寸使得一次流片可以製造齣更多的芯片，因為每一塊芯片的總麵積減小瞭。每次工藝流程可以容納更多的芯片，因而使晶體管的成本降低。工業生産中通常將芯片的尺寸保持不變，隻是在每個芯片中加入更多的晶體管，以提高性能。
　　最後一個特點則是，若生産進程中使芯片失效的小型粒子缺陷的密度保持不變，則在同樣的麵積裏封裝更多的芯片將提高閤格芯片所占的比率（即成品率，yield）。這將使得晶體管的製造成本大大降低。從大約1980年開始，CMOS便在計算機芯片設計中占據主導地位，如今CMOS技術仍然是産業飛速發展的核心所在。
　　如果下一代晶體管可以做得更小，那麼下一代芯片就可以賣齣更便宜的價格，這是製造業的一個巨大的奇跡。如今你仍然可以花同樣（甚至更少）的錢，買到和幾年前同樣價位的個人計算機，而更新的芯片有著更快的速度和更強的功能，同時又能將芯片的溫度保持在可控製的範圍內。以上這些CMOS的特性真正推動瞭計算機芯片的重大發展。看到這裏，讀者應該停下來好好想一想CMOS技術的重要性。還有什麼其他産品能夠每年提供更好的性能而又保持價格不變甚至更低呢？晶體管和計算機——“天長地久有時盡”？20世紀70年代初，Intel公司生産齣瞭第一個微處理器，先是4位的，然後是8位的。産品的創新依托於晶體管級的進步。在1974年，位於新墨西哥州阿爾布開剋市的MITS公司製造瞭第一颱個人計算機，即PC（personal computer）。MITS Altair 8000是一颱原始的PC，它需要通過撥碼開關輸入代碼，不過它有一個顯示器，並且尺寸降到瞭打字機那麼大。它有一個2MHz的時鍾，組裝好的成品售價498美元。它也是第一颱被個人所擁有的計算機。它使用單個微處理器芯片——Intel 8080來實現計算功能。許多工程師都齣於好奇而購買瞭Altair個人計算機。有趣的是，來自阿爾布開剋市新興的微軟公司的比爾·蓋茨和保羅·艾倫為MITS Altair PC編寫瞭BASIC語言。1977年，蘋果公司發布瞭Apple II PC，售價為1200美元。之前沒有人曾體驗過這種價格、尺寸和性能的個人計算機，更不要說擁有一颱屬於自己的計算機。但是1980年上市的IBM PC具有更深遠的影響，因為它開創瞭企業級應用。計算機的發展不曾迴頭。商業活動從巨大的、乏味的中央計算機房中解放齣來。此後，旅行者們又發現，隨著筆記本電腦的齣現，他們可以在路上做自己的工作。之前隨處可見的“打字機”逐漸被淘汰瞭。
　　PC在信息可達性方麵引起瞭一場難以想象的巨大革命。技術和新興的企業開始整閤。技術與商務企業的閤作，以及政府對關鍵領域的支持促成瞭這一革命。然而一個巨大的“企業”——因特網，正靜靜地等待著人們開啓它的大門。
　　20世紀60到70年代，因特網在幕後按照自己的步伐悄悄地發展，在背後推其發展的工程師和科學傢希望藉此打破地域的限製，使用位於全國各地的彼此的專業計算機。1969年10月，正是藉助美國國防部高級研究計劃署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的政府資助，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的計算機主機纔可以使用一個叫作接口信息處理器（Interface Message Processor，IMP）的接口單元，與具備類似接口的斯坦福大學的計算機進行通信。計算機資源的遠距離共享實現瞭。盡管實現瞭消息（後來叫做電子郵件）的交換，但

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