超低功耗电路的设计原则及设计分析

以手机为代表的电池供电电路的兴起,为便携式仪表开创了一个新的纪元。超低功耗电路系统(包括超低功耗的电源、单片机、放大器、液晶显示屏等)已经对电路设计人员形成了极大的诱惑。毫无疑问,超低功耗电路设计已经对低功耗电路提出了挑战,并将扩展成为电子电路中的一个重要应用领域。

虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的,但是因为用户众多,数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现,使设计人员不再在传统的CMOS型IC上下功夫,转而选择新型超低功耗IC,致使近年来产生了多种超低功耗仪表。电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。目前,电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。

本文将对超低功耗电路设计原则进行分析,并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述,从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。

1 CMOS集成电路的功耗分析

无论是低功耗还是超低功耗IC,主要还是建立在CMOS电路基础上的。虽然超低功耗IC 对单元电路进行了新形式的设计,但作为功耗分析,仍然离不开CMOS电路基本原理。以74系列为代表的TTL集成电路,每门的平均功耗约为10mW;低功耗的TTL集成电路,每门平均功耗只有1mW。74系列高速CMOS电路,每门平均功耗约为10μW;而超低功耗CMOS 通用小规模IC,整片的静态平均功耗却可低于10μW。传统的单片机,休眠电流常在50μA～2mA范围内;而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。

CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载,而且就电路内部而言,功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。

CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为:

P=PD+PA

(完整版)智能电子电路设计与制作期末试卷A

淮安信息职业技术学院2012-2013学年度第2学期《智能电子电路设计与制作》期末试卷A 一、填空题（每空0.5分）共15分 1、MEGA16单片机I/O 端口的方向寄存器作用是（对端口输入输出选择）。 2、MEGA16单片机I/O 端口的输入寄存器作用是（判断端口电平高低）。 3、MEGA16单片机I/O 端口的数据寄存器作用是（对端口写入“1”或“0” ）。 4、ATmega16单片机是（ 8 ）位单片机。 5、MCUCR 寄存器是（控制寄存器），用于设置 INTO 和INT1的中断（触发）方式。 6、GICR 寄存器是（中断控制寄存器），用于设置外部中断的中断（允许）位。 7、全局中断使能位是（状态）寄存器中的第（七）位即（ BIT/7 ）位。 8、TCNT0是定时器（ T/C0）的（数据）寄存器，作用是（对计数器进行读写）。 9、T/C0的计数时钟源可以来自（内部）和（外部）两种。 10、T/C0工作在普通模式时，（计数初值）由TCNTO 设置，最大值为（ OXFFFF ）。 11、使用MEGA16单片机的AD 相关寄存器有（ AD 多工选择寄存器）、（ ADC 控制和状态寄存器A ）、（ ADC 数据寄存器）、（特殊功能IO 寄存器）。 12、MEGA16单片机TWI 相关寄存器有（ TWI 比特率寄存器）、( TWI 控制寄存器 )、（ TWI 状态寄存器）、（ TWI 数据寄存器）。 13、MEGA16单片机与SPI 相关的寄存器有（ SPI 控制寄存器）、（ SPI 状态寄存器）。 14、24C08是具有（ I 2c ）总线协议的非易失性存储器。 15、USART 模块的管脚发送数据管脚名称为（ TXD ）。二、选择题（每题3分，共45分） 1. MCUCR 寄存器中的中断触发模式位是？（D ） A 、ICS00\ICS01 B 、ICS10\ICS11 C 、SM2 D 、A 和B 2. ATmega16的GICR 寄存器中外部中断0的中断使能位是（B ） A 、INT1 B 、INT0 C 、INT2 D 、INT3 3.多位数码管显示器通常采用（B ）法显示系部：班级：学号：姓名：

集成电路低功耗设计方法研究【文献综述】

毕业设计文献综述电子信息科学与技术集成电路低功耗设计方法研究摘要:随着IC制造工艺达到纳米级，功耗问题已经与面积、速度一样受到人们关注，并成为制约集成电路发展的关键因素之一。同时，由于电路特征尺寸的缩小，之前相比于电路动态功耗可以忽略的静态漏功耗正不断接近前者，给电路低功耗设计提出了新课题，即低漏功耗设计。本文将分析纳米工艺下芯片功耗的组成和对低漏功耗进行研究的重要性，然后介绍目前主要的低功耗设计方法。此外，由于ASIC技术是目前集成电路发展的趋势和技术主流，而标准单元是ASIC设计快速发展的重要支撑，本文在最后提出了标准单元包低漏功耗设计方法，结合电路级的功耗优化技术，从而拓宽ASIC功耗优化空间。关键字：低功耗，标准单元，ASIC设计前言：自1958年德克萨斯仪器公司制造出第一块集成电路以来，集成电路产业一直以惊人的速度发展着，到目前为止，集成电路基本遵循着摩尔定律发展，即集成度几乎每18个月翻一番。随着制造工艺的发展，IC设计已经进入了纳米级时代：目前国际上能够投入大规模量产的最先进工艺为40nm，国内的工艺水平正将进入65nm；2009年，Intel酷睿i系列创纪录采用了领先的32nm 工艺，并且下一代22nm工艺正在研发中。但伴随电路特征尺寸的减小，电路功耗数值正呈指数上升，集成电路的发展遭遇了功耗瓶颈。功耗问题已经同面积和速度一样受到人们重视，成为衡量IC设计成功与否的重要指标之一。若在设计时不考虑功耗而功利地追求集成度的提高，则可能会使电路某些部分因功耗过大引起温度过高而导致系统工作不稳定或失效。如Intel的1.5GHz Pentium Ⅳ处理器，拥有的晶体管数量高达4200万只，功率接近95瓦，整机生产商不得不为其配上了特大号风扇来维持其正常工作。功耗的增大不仅将导致器件的可靠性降低、芯片的稳定性下降，同时也给芯片的散热和封装带来问题。因此，功耗已经成为阻碍集成电路进一步发展的难题之一，低功耗设计也已成为集成电路的关键设计技术之一。一、电路功耗的组成 CMOS电路中有两种主要的功耗来源，动态功耗和静态功耗。其中，动态功耗包括负载电容的充放电功耗(交流开关功耗)和短路电流引起的功耗；静态功耗主要是由漏电流引起的功耗，如图1所示。

常用模电电路图及分析

如何看懂电路图2－－电源电路单元前面介绍了电路图中的元器件的作用和符号。一张电路图通常有几十乃至几百个元器件，它们的连线纵横交叉，形式变化多端，初学者往往不知道该从什么地方开始，怎样才能读懂它。其实电子电路本身有很强的规律性，不管多复杂的电路，经过分析可以发现，它是由少数几个单元电路组成的。好象孩子们玩的积木，虽然只有十来种或二三十种块块，可是在孩子们手中却可以搭成几十乃至几百种平面图形或立体模型。同样道理，再复杂的电路，经过分析就可发现，它也是由少数几个单元电路组成的。因此初学者只要先熟悉常用的基本单元电路，再学会分析和分解电路的本领，看懂一般的电路图应该是不难的。按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。让我们从电源电路开始。一、电源电路的功能和组成每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。

电子电路设计与制作教学大纲

《电子电路设计与制作》教学大纲1．课程中文名称：电子电路设计与制作 2．课程代码： 3．课程类别：实践教学环节 4．课程性质：必修课 5．课程属性：独立设课 6．电子技术课程理论课总学时:256总学分：16 电子电路设计与制作学时：3周课程设计学分：3 7．适用专业：电子信息类各专业 8．先修课程：电路分析基础、模拟电子技术、数字电子技术、PCB电路设计一、课程设计简介实验课、课程设计、毕业设计是大学阶段既相互联系又相互区别的三大实践性教学环节。实验课是着眼于实验验证课程的基本理论，培养学生的初步实验技能；毕业设计是针对本专业的要求所进行的全面的综合训练；而课程设计则是针对某几门课程构成的课程群的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程群中所学到的理论学以致用，独立地解决实际问题。电子电路设计与制作是电子信息类各专业必不可少的重要实践环节，它包括设计方案的选择、设计方案的论证、方案的电路原理图设计、印制板电路（即PCB）设计、元器件的选型、元器件在PCB板上的安装与焊接，电路的调试，撰写设计报告等实践内容。电子电路设计与制作的全过程是以学生自学为主，实践操作为主，教师的讲授、指导、讨论和研究相结合为辅的方式进行，着重就设计题目的要求对设计思路、设计方案的形成、电路调试和参数测量等展开讨论。由指导教师下达设计任务书（学生自选题目需要通过指导教师和教研室共同审核批准），讲解示范的案例，指导学生各自对自己考虑到的多种可行的设计方案进行

比较，选择其中的最佳方案并进行论证，制作出满足设计要求的电子产品，撰写设计报告。需要注意是，设计方案的原理图须经Proteus软件仿真确信无误后，才能进行印刷电路图的制作，硬件电路的制作，以避免造成覆铜板、元器件等材料的浪费。电路系统经反复调试，完全达到（或超过）设计要求后，再完善设计报告。设计的整个过程在创新实验室或电子工艺实验室中完成。二、电子电路设计与制作的教学目标与基本要求教学目标： 1、通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识，提高综合运用知识的能力，逐步提升从事工程设计的能力。 2、注重培养学生正确的工程设计思想，掌握工程设计的思路、内容、步骤和方法。使学生能根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过设计、安装、焊接、调试等实践过程，使电子产品达到设计任务书中要求的性能指标的能力。 3、为后续的毕业设计打好基础。课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐转向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解工程设计的程序和实施方法；通过课程设计的训练，可以给毕业设计提供坚实的铺垫。 4、培养学生获取信息和综合处理信息的能力，文字和语言表达能力以及协调工作能力。课程设计报告的撰写，为今后从事技术工作撰写科技报告和技术文件打下基础。 5、提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。基本要求： 1、能够根据设计任务和指标要求，综合运用电路分析、电子技术课程中所学到的理论知识与实践操作技能独立完成一个设计课题的工程设计能力。 2、会根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。能独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析问韪、解决问题的能力。

数字集成电路物理设计阶段的低功耗技术

数字集成电路物理设计阶段的低功耗技术张小花（200XXXXXXXX） 2011年六月摘要:通过一个图像处理SoC的设计实例,着重讨论在物理设计阶段降低CMOS功耗的方法。该方法首先调整 PAD摆放位置、调整宏单元摆放位置、优化电源规划,得到一个低电压压降版图,间接降低CMOS功耗;接着,通过规划开关活动率文件与设置功耗优化指令,直接降低CMOS功耗。最终实验结果表明此方法使CMOS功耗降低了 10.92%。基于该设计流程的图像处理SoC已经通过ATE设备的测试,并且其功耗满足预期目标。关键词: 集成电路; 物理设计; 电压降; 低功耗 Digital integrated circuit physical design phase of the low power technology luo jiang nan（2008102041） June, 2011 Abstract: through a image processing of SoC design examples, the paper discuss the physical design stage reduce power consumption method. CMOS This method firstly PAD put the position, adjusting adjustment macro unit put the position, optimizing power planning, get a low voltage pressure drop, reduce the power consumption of the CMOS indirect territory; Then, through the planning activities rate documents and set switch power optimization, reduce the power consumption of the CMOS setup instructions directly. Finally the experimental results show that the method that CMOS power consumption was reduced by 10.92%. Based on the design process of the image processing has been through the ATE the SoC test equipment, and its power consumption to meet expectations. Keywords: IC; physical design; voltage drop; low power consumption 1 引言随着集成电路规模的扩大以及便携式和嵌入式应用需求的增长,低功耗数字集成电路设计技术日益受到重视,已成为集成电路设计的研究热点.通常低功耗设计技术包括三个方面:设计中的低功耗技术、封装的低功耗技术和运行管理的低功耗技术.其中设计中的低功耗技术包括前端设计阶段的体系结构级低功耗技术、RTL级低功耗技术、门级低功耗技术和物理设计阶段的低功耗技术.

MRS201低功耗霍尔元件

TMR 超低功耗全极磁开关概述是一款集成了隧道磁阻（TMR ）传感器和CMOS 技术，为高灵敏度、高速、低功耗、高精度应用而开发的全极磁开关。采用高精度推挽式半桥TMR 磁传感器和CMOS 集成电路，包括TMR 电压发生器、比较器、施密特触发器和CMOS 输出电路，能将变化的磁场信号转化为数字电压信号输出。通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源，并允许宽的工作电压范围。以低电压工作、1微安级的供电电流、高响应频率、宽的工作温度范围、优越的抗外磁干扰特性成为众多低功耗、高性能应用的理想选择。采用两种封装形式：SOT23-3和TO-92S 。功能框图产品特性 ? 隧道磁电阻 (TMR) 技术 ? 1.5微安超低功耗 ? 高频率响应可达1kHz ? 全极磁开关 ? 高灵敏度，低开关点 ? 宽工作电压范围 ? 卓越的温度稳定性 ? 优越的抗外磁场性能典型应用 ? 流量计，包括水表、气表和热量表 ? 接近开关 ? 速度检测 ? 线性及旋转位置检测磁开关MRS201MRS201MRS201MRS201MRS201MRS201

管脚定义 TO-92S SOT23-3 极限参数性能参数(V CC = 3.0V, T A = 25°C) 注：在以上测试中，电源和地之间需连接一个0.1μF的电容。

磁特性(V CC = 3.0V, T A = 25°C) 电压和温度特性输出和磁场关系注：上电时，在工作磁场为零时，输出信号为高电平。磁场感应方向磁场强度

MRS201应用指南封装尺寸 SOT23-3封装图：平行于TMR 传感器敏感方向的磁场超过工作点门限︱B OPS ︱(︱B OPN ︱)时，输出低电平。当平行于TMR 传感器敏感方向的磁场低于释放点︱B RPS ︱(︱B RPN ︱)时，输出高电平。磁场工作点和释放点的差值就是传感器的回差B H 。为了降低外部噪音，推荐在传感器电源和地之间增加一个滤波电容（靠近传感器）。如应用电路图所示，典型值为0.1μF 。 MRS201

电路基础分析知识点整理

电路分析基础 1.（1）实际正方向：规定为从高电位指向低电位。（2）参考正方向：任意假定的方向。注意：必须指定电压参考方向，这样电压的正值或负值才有意义。电压和电位的关系：U ab=V a－V b 2.电动势和电位一样属于一种势能，它能够将低电位的正电荷推向高电位，如同水路中的水泵能够把低处的水抽到高处的作用一样。电动势在电路分析中也是一个有方向的物理量，其方向规定由电源负极指向电源正极，即电位升高的方向。电压、电位和电动势的区别：电压和电位是衡量电场力作功本领的物理量，电动势则是衡量电源力作功本领的物理量；电路中两点间电压的大小只取决于两点间电位的差值，是绝对的量；电位是相对的量，其高低正负取决于参考点；电动势只存在于电源内部。 3. 参考方向 (1)分析电路前应选定电压电流的参考方向，并标在图中； (2)参考方向一经选定，在计算过程中不得任意改变。参考方向是列写方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真实方向，因此不必追求它们的物理实质是否合理。 (3)电阻（或阻抗）一般选取关联参考方向，独立源上一般选取非关联参考方向。 (4) 参考方向也称为假定正方向，以后讨论均在参考方向下进行，实际方向由计算结果确定。 (5)在分析、计算电路的过程中，出现“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几个名词概念时，切不可把它们混为一谈。 4. 电路分析中引入参考方向的目的是为分析和计算电路提供方便和依据。应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压和电流的数值前面的正、负号，若参考方向下一个电流为“－2A”，说明它的实际方向与参考方向相反，参考方向下一个电压为“＋20V”，说明其实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下列写电路方程式时，各项前面的正、负符号；“相同、相反”则是指电压、电流是否为关联参考方向，“相同”是指电压、电流参考方向关联，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。 5.基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括结点电流定律（KCL）和回路电压（KVL）两个定律，是集总电路必须遵循的普遍规律。中学阶段我们学习过欧姆定律（VAR），它阐明了线性电阻元件上电压、电流之间的相互约束关系，明确了元件特性只取决于元件本身而与电路的连接方式无关这一基本规律。基尔霍夫将物理学中的“液体流动的连续性”和“能量守恒定律”用于电路中，总结出了他的第一定律（KCL）；根据“电位的单值性原理”又创建了他的第二定律（KVL），从而解决了电路结构上整体的规律，具有普遍性。基尔霍夫两定律和欧姆定律合称为电路的三大基本定律。 6.几个常用的电路名词 1.支路：电路中流过同一电流的几个元件串联的分支。（m） 2.结点：三条或三条以上支路的汇集点（连接点）。（n） 3.回路：由支路构成的、电路中的任意闭合路径。(l） 4.网孔：指不包含任何支路的单一回路。网孔是回路，回路不一定是网孔。平面电路的每个网眼都是一个网孔。

大规模集成电路应用

《大规模集成电路应用》论文姓名:谭宇学号: 20104665 学院: 计算机与信息工程学院专业班级: 自动化3班

大规模集成电路的体会摘要：信息飞速发展时代，半导体、晶体管等已广泛应用，大规模集成电路也成为必要性的技术，集成电路诞生以来，经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）的发展过程，目前已进入超大规模（VLSI）和甚大规模集成电路（ULSI）阶段，进入片上系统（SOC)的时代。关键字：大规模集成；必要性；体会； 1 大规模集成的重要性集成电路产业是衡量一个国家综合实力的重要重要指标。而这个庞大的产业主要由集成电路的设计、芯片、封装和测试构成。在这个集成电路生产的整个过程中，集成电路测试是惟一一个贯穿集成电路生产和应用全过程的产业。如：集成电路设计原型的验证测试、晶圆片测试、封装成品测试，只有通过了全部测试合格的集成电路才可能作为合格产品出厂，测试是保证产品质量的重要环节。集成电路测试是伴随着集成电路的发展而发展的，它为集成电路的进步做出了巨大贡献。我国的集成电路自动测试系统起步较晚，虽有一定的发展，但与国外的同类产品相比技术水平上还有很大的差距，特别是在一些关键技术上难以实现突破。国内使用的高端大型自动测试系统，几乎是被国外产品垄断。市场上各种型号国产集成电路测试，中小规模占到80%。大规模集成电路测试系统由于稳定性、实用性、价格等因素导致没有实用化。大规模/超大规模集成电路测试系统主要依靠进口满足国内的科研、生产与应用测试，我国急需自主创新的大规模集成电路测试技术，因此，本文对集成电路测试技术进行了总结和分析。 2 集成电路测试的必要性随着集成电路应用领域扩大，大量用于各种整机系统中。在系统中集成电路往往作为关键器件使用，其质量和性能的好坏直接影响到了系统稳定性和可靠性。如何检测故障剔除次品是芯片生产厂商不得不面对的一个问题，良好的测试流程，可以使不良品在投放市场之前就已经被淘汰，这对于提高产品质量，建立生产销售的良性循环，树立企业的良好形象都是至关重要的。次品的损失成本可以在合格产品的售价里得到相应的补偿，所以应寻求的是质量和经济的相互制衡，以最小的成本满足用户的需要。作为一种电子产品，所有的芯片不可避免的出现各类故障，可能包括：1.固定型故障；2.跳变故障；3.时延故障；4.开路短路故障；5桥接故障，等等。测试的作用是检验芯片是否存在问题，测试工程师进行失效分析，提出修改建议，从工程角度来讲，测试包括了验证测试和生产测试两个主要的阶段。一款新的集成电路芯片被设计并生产出来，首先必须接受验证测试。在这一阶段，将会进行功能测试、以及全面的交流（AC）参数和直流(DC)参数的测试等，也可能会探测芯片的内部结构。通常会得出一个完整的验证测试信息，如芯片的工艺特征描述、电气特征（DC参数、AC参数、电容、漏电、温度等测试条件）、时序关系图等等。通过验证测试中的参数测试、功能性测试、结构性测试，可以诊断和修改系统设计、逻辑设计和物理设计中的设计错误，为最终规范(产品手册)测量出芯片的各种电气参数，并开发出测试流程。当芯片的设计方案通过了验证测试，进入生产阶段之后，将利用前一阶段设

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术摘要：现阶段各行业的发展离不开对能源的消耗，随着目前节能技术要求的不断提升，降低功耗成为行业发展的重要工作之一。本文围绕集成电路的功耗优化以及低功耗设计技术展开分析，针对现阶段常见的低功耗设计方式以及技术进行探究，为集成电路功耗优化提供理论指导。关键词：集成电路；功耗优化；低功耗目前现代节能技术要求不断提升，针对设备的功耗控制成为当前发展的主要问题之一。针对数字系统的功耗而言，决定了系统的使用性能能否得到提升。一般情况下，数字电路设计方面，功耗的降低一直都是优先考虑的问题，并且通过对整个结构进行分段处理，同时进行优化，最后总结出较为科学的设计方案，采用多种方式降低功耗，能够很大程度上提升设备的使用性能。下面围绕数字电路的功耗优化以及低功耗设计展开分析。一、设计与优化技术集成电路的功耗优化和低功耗设计是相对系统的内容，一定要在设计的每个环节当中使用科学且合理的技术手段，权衡并且综合考虑多方面的设计策略，才能够有效降低功耗并且确保集成电路系统性能。因为集成电路系统的规模相对较大且具有一定的特殊性，想要完全依靠人工或者手动的方式来达到这些目的并不现实且缺少可行性，一定要开发与之对应的电路综合技术。 1 工艺级功耗优化将工艺级功耗应用到设计当中，通常情况下采取以下两种方式进行功耗的降低：首先，根据比例调整技术。进行低功耗设计过程中，为了能够实现功耗的有效降低会利用工艺技术进行改善。在设计过程中，使用较为先进的工艺技术，能够让设备的电压消耗有效缩减。现阶段电子技术水平不断提升，系统的集成度也随之提高，目前采用的零件的规格也逐渐缩小，零件的电容也实现了良好的控制，进而能够很大程度上降低功耗。借助比例技术，除了能够将可见晶体管的比例进行调整，而且也能够缩小互连线的比例[1]。目前在晶体管的比例缩小方面，能够依靠缩小零件的部分重要参数，进而在保持性能不被影响的情况下，通过较小的沟道长度，确保其他的参数不受影响的栅压缩方式，进而将零件的体积进行缩减，同时也缩短了延长的用时，使功耗能够有效降低。针对互连线缩小的方式主要将互连线的整个结构进行调整，工作人员在进行尺寸缩减的过程中，会面临多方面的难题，比如系统噪音无法控制，或者降低了电路使用的可靠性等等。其次，采用封装技术进行降低。采用封装技术，能够让芯片与外部环境进行有效的隔离，进而避免了外部环境给电气设备造成一定的破坏与影响，在封装阶段，芯片的功耗会受到较大的影响，因此需要使用更加有效的封装手段，才能够提升芯片的散热性，进而有效降低功耗[2]。在多芯片的情况下，因为芯片与其他芯片之间的接口位置会产生大量的功耗，因此针对多芯片采取封装技术，首先降低I/0接口的所有功能，接着解决电路延迟的问题，才能够实现对集成电路的优化。 2 电路功耗优化一般情况下，对电路级的功耗会选择动态的逻辑设计。在集成电路当中，往往会包含多种电路逻辑结构，比如动态、静态等等，逻辑结构从本质上而言具有一定的差异性，这种差异性也使得逻辑结构有着不同作用的功能。动态逻辑结构有着较为典型的特性[3]。静态的逻辑结构当中所有的输入都会对接单独的MOS，因此逻辑结构功耗更大，动态的逻辑结构当中电路通常具备N、M两个沟道，动态电路会利用时钟信号采取有效的控制，进而能够实现预

超低功耗电路的设计原则及设计分析

超低功耗电路的设计原则及设计分析以手机为代表的电池供电电路的兴起,为便携式仪表开创了一个新的纪元。超低功耗电路系统(包括超低功耗的电源、单片机、放大器、液晶显示屏等)已经对电路设计人员形成了极大的诱惑。毫无疑问,超低功耗电路设计已经对低功耗电路提出了挑战,并将扩展成为电子电路中的一个重要应用领域。虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的,但是因为用户众多,数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现,使设计人员不再在传统的CMOS型IC上下功夫,转而选择新型超低功耗IC,致使近年来产生了多种超低功耗仪表。电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。目前,电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。本文将对超低功耗电路设计原则进行分析,并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述,从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。 1 CMOS集成电路的功耗分析无论是低功耗还是超低功耗IC,主要还是建立在CMOS电路基础上的。虽然超低功耗IC 对单元电路进行了新形式的设计,但作为功耗分析,仍然离不开CMOS电路基本原理。以74系列为代表的TTL集成电路,每门的平均功耗约为10mW;低功耗的TTL集成电路,每门平均功耗只有1mW。74系列高速CMOS电路,每门平均功耗约为10μW;而超低功耗CMOS 通用小规模IC,整片的静态平均功耗却可低于10μW。传统的单片机,休眠电流常在50μA～2mA范围内;而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。 CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载,而且就电路内部而言,功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。 CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为: P=PD+PA

最常用单元电路分析

－电源电路单元前面介绍了电路图中的元器件的作用和符号。一张电路图通常有几十乃至几百个元器件，它们的连线纵横交叉，形式变化多端，初学者往往不知道该从什么地方开始，怎样才能读懂它。其实电子电路本身有很强的规律性，不管多复杂的电路，经过分析可以发现，它是由少数几个单元电路组成的。好象孩子们玩的积木，虽然只有十来种或二三十种块块，可是在孩子们手中却可以搭成几十乃至几百种平面图形或立体模型。同样道理，再复杂的电路，经过分析就可发现，它也是由少数几个单元电路组成的。因此初学者只要先熟悉常用的基本单元电路，再学会分析和分解电路的本领，看懂一般的电路图应该是不难的。按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。让我们从电源电路开始。一、电源电路的功能和组成每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。二、整流电路整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。（ 1 ）半波整流半波整流电路只需一个二极管，见图 2 （ a ）。在交流电正半周时 VD 导通，负半周时 VD 截止，负载 R 上得到的是脉动的直流电

中南大学大规模集成电路考试及答案合集

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---○---○ --- 学院专业班级学号姓名 ………… 评卷密封线 ……………… 密封线内不要答题，密封线外不准填写考生信息，违者考试成绩按0分处理 ……………… 评卷密封中南大学考试试卷时间110分钟题号一二三合计得分评卷人 2013 ~2014 学年一学期大规模集成电路设计课程试题 32 学时，开卷，总分100分，占总评成绩70 % 一、填空题(本题40分，每个空格1分) 1. 所谓集成电路，是指采用，把一个电路中所需的二极管、、电阻、电容和电感等元件连同它们之间的电气连线在一块或几块很小的或介质基片上一同制作出来，形成完整电路，然后在一个管壳内，成为具有特定电路功能的微型结构。 2. 请写出以下与集成电路相关的专业术语缩写的英文全称： ASIC ： ASSP ： LSI ： 3. 同时减小、与，可在保持漏源间电流不变的前提下减小器件面积，提高电路集成度。因此，缩短MOSFET 尺寸是VLSI 发展的趋势。 4. 大规模集成电路的设计流程包括：需求分析、设计、体系结构设计、功能设计、设计、可测性设计、设计等。 5. 需求规格详细描述系统顾客或用户所关心的内容，包括及必须满足的。系统规格定义系统边界及系统与环境相互作用的信息，在这个规格中，系统以的方式体现出来。 6. 根据硬件化的目的（高性能化、小型化、低功耗化、降低成本、知识产权保护等）、系统规模/性能、、、等确定实现方法。 7. 体系结构设计的三要素为：、、。 8. 高位综合是指从描述自动生成描述的过程。与人工设计相比，高位综合不仅可以尽可能地缩短，而且可以生成在面积、性能、功耗等方面表现出色的电路。 9. 逻辑综合就是将变换为，根据或进行最优化，并进行特定工艺单元库的过程。 10. 逻辑综合在推断RTL 部品时，将值的变化通过时钟触发的信号推断为，得分评卷人

常用低功耗设计

随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个非常重要的考虑因素。为了使产品更具有竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯的追求高性能、小面积，转换为对性能、面积、功耗的综合要求。微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有非常重要的意义。本文首先介绍了微处理器的功耗来源，重点介绍了常用的低功耗设计技术，并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源研究微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解其功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。从图1中可以看出，时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Mem ory)，控制部分和输入/输出 (Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。如图2所示，C MOS电路功耗主要由3部分组成：电路电容充放电引起的动态功耗，结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中，动态功耗是最主要的，占了总功耗的90%以上，表达式如下：式中：f为时钟频率，C1为节点电容，α为节点的翻转概率，Vdd为工作电压。

2 常用的低功耗设计技术低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言，包括自系统级至版图级的所有抽象层次。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。 2.1 动态电压调节由式(1)可知，动态功耗与工作电压的平方成正比，功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低，因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是，仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大，执行时间变长。然而，系统负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式，从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下，工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS，需要采用电压调度模块来实时改变工作电压，电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。 2.2 门控时钟和可变频率时钟如图1所示，在微处理器中，很大一部分功耗来自时钟。时钟是惟一在所有时间都充放电的信号，而且很多情况下引起不必要的门的翻转，因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产牛很大的影响。门控时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟网络进行划分，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则暂时切断这些模块的时钟信号，从而明显地降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时，关闭寄存器时钟，以降低功耗。然而，门控时钟易引起毛刺，必须对信号的时序加以严格限制，并对其进行仔细的时序验证。另一种常用的时钟技术就是可变频率时钟。根据系统性能要求，配置适当的时钟频率，避免不必要的功耗。门控时钟实际上是可变频率时钟的一种极限情况(即只有零和最高频率两种值)，因此，可变频率时钟比门控时钟技术更加有效，但需要系统内嵌时钟产生模块PLL，增加了设计复杂度。去年Intel公司推出的采用先进动态功耗控制技术的Montecito处理器，就利用了变频时钟系统。该芯片内嵌一个高精度数字电流表，利用封装上的微小电压降计算总电流;通过内嵌的一个32位微处理器来调整主频，达到64级动态功耗调整的目的，大大降低了功耗。

大规模集成电路设计答案(1)

`CMOS反相器电路图、版图、剖面图

CMOS的广泛使用，是由于解决了latch-up效应 Latch-up效应解释、原理、解决方法（略）避免栅锁效应方法：用金掺杂或中子辐射，降低少数载流子寿命；深阱结构或高能量注入形成倒退阱；将器件制作于高掺杂衬底上的低掺杂外延层中；沟槽隔离。在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益 ?避免source和drain的正向偏压 ?增加一个轻掺杂的layer在重掺杂的基体上，阻止侧面电流从垂直BJT到低阻基体上的通路 ?使用Guard ring: P+ ring环绕nmos并接GND；N+ ring环绕pmos 并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。 ? Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。?使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距离在pmos 和nmos之间以降低引发SCR的可能 ?除在I/O处需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的内部mos 也应圈guard ring。? I/O处尽量不使用pmos(nwell) 门级电路图（AOI221） AOI221=(AB+CD+E)’

伪NMOS: 伪NMOS的下拉网络和静态门的下拉网络相似，上拉网络是用一个PMOS管，且此管输入接地，因此PMOS管总是导通的。动态电路：动态电路用一个时钟控制的PMOS管取代了总是导通的PMOS管，克服了有比电路的缺点。动态电路速度快，输入负载小，切换时不存在竞争电流，而且动态电路没有静态功耗。动态电路存在的根本性问题就是对输入单调性的要求。多米诺电路：多米诺电路由一级动态门和一级静态CMOS反相器构成。典型结构：下拉网络+上拉预充值网络+反相器构成过程就是充值+求值的过程在多米诺电路中，所有门的预充、求值都可以用一个时钟控制。求值期间，动态门的输出单调下降，所以静态反相器的输出单调上升。多米诺电路是同时进行预充，但求值是串行的。逻辑功效（logic effort）逻辑功效定义为门的输入电容与能够提供相同输出电流的反相器的输入电容的比值。也就是说逻辑功效表示某个门在产生输出电流时相比反相器的糟糕程度。逻辑功效不仅使我们能容易计算时延，它也向我们展示了如何确定晶体管的尺寸以优化路径中的延时。

电子线路设计与制作实验报告

电子线路设计与制作实验报告班级：电信12305班指导老师：朱婷小组成员：张壮安剑锋罗杰杨康熊施任务分工：1.张壮实验报告的撰写 2.安剑锋检查元件及整理 3.罗杰电路的焊接 4.杨康元器件的保管及测试 5.熊施协助电路的焊接 2014年11月14日

项目一：红外线电路设计一、电路工作原理常用的红外线遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一直特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的红外线而不会死可见光。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外线接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外线接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外线二极管一般有圆形和方形两种。二、电路原理图设计

课题名称元件数量备注红外线发射——接收模拟电路红外线发射管 1 红外线接收管 1 发光二极管 1 运放uA741 1 20K可调电位器 1 100Ω电阻 1 10kΩ电阻 1 330Ω电阻 1 元件清单表三、电路设计与调试（1）各小组从指导老师那里领取元器件，分工检测元器件的性能。（2）依据电路原理图，各小组讨论如何布局，最后确定一最佳方案在洞洞板上搭建红外线发射\接收电路图。（3）检查电路无误后，从信号发生器送入适应电压。（4）调节可调电阻R3的阻值，观察发光二极管LED是否出现闪烁现象，如果出现说明有发射和接收，如果没有检查电路。（5）实验完毕，记录结果，并写实验报告。

四、实验注意事项（1）发光二极管的电流不能天大（小于200mA）；（2）在通电前必须检查电路无误后才可；（3）信号发生器的输出电压峰峰值1.5~2.5V。项目二：定时电路的设计一、电路原理图与工作原理

【转帖】分析电路的四大常用方法

电子电路图用来表示实际电子电路的组成、结构、元器件标称值等信息。通过电路图可以知道实际电路的情况。这样我们在分析电路时，就不必把实物翻来覆去地琢磨，而只要拿着一张图纸就可以了。在设计电路时，也可以从容地纸上或电脑上进行，确认完善后再进行实际安装，通过调试、改进，直至成功。我们更可以应用先进的计算机软件来进行电路的辅助设计，甚至进行虚拟的电路实验，大大提高工作效率。给大家总结了四大常用的分析电路的方法，以及每种方法适合的电路类型和分析步骤。 1、时间常数分析法时间常数分析法主要用来分析R,L,C和半导体二极管组成电路的性质，时间常数是反映储能元件上能量积累快慢的一个参数，如果时间常数不同，尽管电路的形式及接法相似，但在电路中所起的作用是不同的。常见的有耦合电路，微分电路，积分电路，钳位电路和峰值检波电路等。 2、频率特性分析法频率特性分析法主要用来分析电路本身具有的频率是否与它所处理信号的频率相适应。分析中应简单计算一下它的中心频率，上下限频率和频带宽度等。通过这种分析可知电路的性质，如滤波，陷波，谐振，选频电路等。 3、直流等效电路分析法在分析电路原理时，要搞清楚电路中的直流通路和交流通路。直流通路是指在没有输入信号时，各半导体三极管、集成电路的静态偏置，也就是它们的静态工作点。交流电路是指交流信号传送的途径，即交流信号的来龙去脉。

在实际电路中，交流电路与直流电路共存于同一电路中，它们既相互联系，又互相区别。直流等效分析法，就是对被分析的电路的直流系统进行单独分析的一种方法，在进行直流等效分析时，完全不考虑电路对输入交流信号的处理功能，只考虑由电源直流电压直接引起的静态直流电流、电压以及它们之间的相互关系。直流等效分析时，首先应绘出直流等效电路图。绘制直流等效电路图时应遵循以下原则：电容器一律按开路处理，能忽略直流电阻的电感器应视为短路，不能忽略电阻成分的电感器可等效为电阻。取降压退耦后的电压作为等效电路的供电电压;把反偏状态的半导体二极管视为开路。 4、交流等效电路分析法交流等效电路分析法，就是把电路中的交流系统从电路分分离出来，进行单独分析的一种方法。交流等效分析时，首先应绘出交流等效电路图。绘制交流等效电路图应遵循以下原则：把电源视为短路，把交流旁路的电容器一律看面短路把隔直耦合器一律看成短路。

《超大规模集成电路设计》考试习题(含答案)完整版分析

1．集成电路的发展过程经历了哪些发展阶段？划分集成电路的标准是什么？集成电路的发展过程: ?小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) ?中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) ?大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) ?超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) ?特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) ?巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）划分集成电路规模的标准 2．超大规模集成电路有哪些优点？ 1. 降低生产成本 VLSI减少了体积和重量等,可靠性成万倍提高,功耗成万倍减少. 2.提高工作速度 VLSI内部连线很短,缩短了延迟时间.加工的技术越来越精细.电路工作速度的提高,主要是依靠减少尺寸获得. 3. 降低功耗芯片内部电路尺寸小,连线短,分布电容小,驱动电路所需的功率下降. 4. 简化逻辑电路芯片内部电路受干扰小,电路可简化. 5.优越的可靠性采用VLSI后，元件数目和外部的接触点都大为减少，可靠性得到很大提高。 6.体积小重量轻 7.缩短电子产品的设计和组装周期一片VLSI组件可以代替大量的元器件,组装工作极大的节省,生产线被压缩,加快了生产速度. 3．简述双阱CMOS工艺制作CMOS反相器的工艺流程过程。 1、形成N阱 2、形成P阱 3、推阱 4、形成场隔离区 5、形成多晶硅栅 6、形成硅化物 7、形成N管源漏区 8、形成P管源漏区 9、形成接触孔10、形成第一层金属11、形成第一层金属12、形成穿通接触孔13、形成第二层金属14、合金15、形成钝化层16、测试、封装，完成集成电路的制造工艺 4．在VLSI设计中，对互连线的要求和可能的互连线材料是什么？互连线的要求低电阻值：产生的电压降最小；信号传输延时最小（RC时间常数最小化）与器件之间的接触电阻低长期可靠工作可能的互连线材料金属（低电阻率），多晶硅（中等电阻率），高掺杂区的硅(注入或扩散)（中等电阻率）