VLSI系统设计6
集成电路设计基础第11章数字集成vlsi系统设计基础
通过对时序逻辑电路的输入、输出及状态进行分析，了解其工作原理和特性。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，选用合适的触发器和组合逻辑电路，设计出满足特定功能的时序逻辑电路。同时 需要考虑时序问题，确保电路的正确性和稳定性。
03
数字集成VLSI系统关键技术
高性能计算技术
并行处理技术
通过多核处理器、GPU加速等技术提高计算能力。
逻辑综合
将HDL代码转换为门级网表，优化电路性能并降低功 耗。
布局布线
根据电路需求和工艺要求，将门级网映射到具体的 芯片上，实现电路的物理实现。
时序分析
对布局布线后的电路进行时序分析，确保电路时序的 正确性和性能。
仿真验证与测试方法
前仿真
在电路设计阶段进行仿真验证， 检查电路功能和性能是否符合设 计要求。
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集成电路设计基础第11章数 字集成vlsi系统设计基础
• 数字集成VLSI系统概述 • 数字集成VLSI系统基本原理 • 数字集成VLSI系统关键技术 • 数字集成VLSI系统实现方法
• 数字集成VLSI系统应用实例 • 数字集成VLSI系统前沿研究动态
01
数字集成VLSI系统概述
定义与发展历程
柔性电子在数字集成VLSI中潜在价值
柔性电子器件
利用柔性基底和可弯曲的电 子材料制造柔性电子器件， 实现可穿戴、可折叠的数字
集成VLSI系统。
生物兼容性
柔性电子具有良好的生物兼 容性，可用于生物医学应用 中与人体紧密接触的电子设
备。
轻量化与便携性
柔性电子器件具有轻量化、 薄型化和可弯曲的特点，便 于携带和集成到各种移动设 备中。
应用领域及市场需求
《VLSI设计》实验指导书
实验一简单组合逻辑电路的设计与仿真一、实验目的(1)初步掌握Verilog/VHDL程序的基本结构(2)学会编写简单的Verilog/VHDL程序(3)掌握用Modelsim软件进行RTL级代码的设计和仿真的基本方法(4)掌握基本组合逻辑电路的实现方法。
二、实验内容这是一个可综合的数据比较器，很容易看出它的功能是比较数据a与数据b，如果两个数据相同，则给出结果1，否则给出结果0。
在Verilog HDL中，描述组合逻辑时常使用assign 结构。
注意equal=(a==b)?1:0,这是一种在组合逻辑实现分支判断时常使用的格式。
设计模块：//--------------- compare.v -----------------------module compare (equal,a,b);input a,b;output equal;assign equal=(a==b)?1:0; // a等于b时，equal输出为1；a不等于b时，equal输出为0。
endmodule测试模块用于检测模块设计得正确与否，它给出模块的输入信号，观察模块的内部信号和输出信号，如果发现结果与预期的有所偏差，则要对设计模块进行修改。
测试模块：//--------------- test_compare.v-----------------module test_compare;reg a,b;wire equal;initial // initial常用于仿真时信号的给出。
begin a=0; b=0;#100 a=0; b=1;#100 a=1; b=1;#100 a=1; b=0;#100 $stop; // 系统任务，暂停仿真以便观察仿真波形。
endcompare compare1(.equal(equal),.a(a),.b(b)); // 调用模块。
endmodule仿真波形（部分）：三、实验步骤1、产生一个工作库在对设计进行仿真之前，你首先需产生一个库，用于放置编译的源代码。
《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）5．在进行版图设计时为什么要制定版图设计规则？—片集成电路上有成千上万个晶体管和电阻等元件以及大量的连线。
《超大规模集成电路设计》考试习题(含答案)完整版
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）5．在进行版图设计时为什么要制定版图设计规则？—片集成电路上有成千上万个晶体管和电阻等元件以及大量的连线。
第一章 VLSI设计概论
2011-02-26
VLSI设计
28
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1.3 今天的IC
半导体业的发展速度 1978年巴黎飞到纽约 的机票价格为900美 元，需要飞7个小时。 如果航空业的发展速度 和半导体业一样的话， 那么今天只需花费1个 便士，不到1秒钟即可 到达！
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VLSI设计
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1.3 今天的IC
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VLSI设计
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1.5 VLSI设计
VLSI设计过程
4、电路设计（Circuit Design） 电路设计是将逻辑设计表达式转换成电路实现。 5、物理设计（Physical Design or Layout Design） 物理设计或称版图设计是VLSI设计中最费时的一步。 它要将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、 电容、电感等以及它们之间的连线转换成集成电路制造 所需要的版图信息。 6、设计验证（Design Verification） 在版图设计完成以后，非常重要的一步工作是版图验 证。主要包括：设计规则检查（DRC）、版图的电路提取 （NE）、电学规则检查（ERC）和寄生参数提取（RPE）。
晶体管的成本
目前制造1个晶体管 的成本大约与在1张 报纸上印制1个字母 的成本相当！
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VLSI设计
30
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1.3 今天的IC
IC是整个信息产业的火车头
2011-02-26
VLSI设计
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本章纲要
1 2 3 4 5 IC的概念 IC的发展 今天的IC 现代IC设计的特点 VLSI设计
2011-02-26
VLSI设计
35
35
现代VLSI设计-基于IP核的设计第四版课程设计
现代VLSI设计-基于IP核的设计第四版课程设计一、背景介绍现代集成电路设计是电子信息工程学科体系中重要的一环，在现代电子信息领域有着广泛的应用。
随着技术的不断进步，集成度的要求越来越高，逐渐从单个器件转向系统级芯片设计，为此，设计人员要对现代VLSI设计有深入的了解和掌握。
本课程设计基于IP核的设计，旨在通过具体的实际案例，提高学生对现代VLSI设计的理解，并学习如何利用常见IP核优化系统性能，达到减少设计成本、提高设计效率、提高设计可维护性的目的。
二、设计目标本次课程设计的主要目标是掌握VLSI设计的基本原理和流程，学习如何使用IP核进行设计，理解如何对电路进行优化。
三、课程内容3.1 VLSI设计基本原理VLSI（Very Large Scale Integration）是指超大规模集成电路。
VLSI设计主要包括从设计到工艺、测试等多个环节，本部分将学习VLSI设计的基本流程、器件结构、工艺和测试方法等基本知识。
3.2 IP核简介IP核（Intellectual Property）是指独立的设计模块，可以被其他不同的电路利用。
IP核的设计和应用可以大大简化电路设计，提高设计效率和可维护性。
本部分将学习IP核的基本原理、分类和应用场景。
3.3 IP核的设计本部分将围绕基于IP核的设计开展实际操作，涉及IP核的设计和应用。
具体包括如何使用Vivado软件进行IP核的设计和如何利用IP核完成特定功能的设计。
3.4 IP核的优化本部分将介绍如何使用IP核进行电路优化，旨在提高系统设计的性能和可靠性。
具体包括如何对IP核进行定制化、如何进行IP核的性能评估以及如何评估系统的功耗等。
四、课程实践本课程设计将通过实践案例学习VLSI设计、IP核的设计与优化。
4.1 实践案例1：基于IP核的数字信号处理系统设计本案例将指导学生利用IP核进行一个简单的数字信号处理系统设计，包括数据输入输出模块、FIR滤波器模块、FFT模块。
VLSI设计基础第三版课程设计
VLSI设计基础第三版课程设计一、概述VLSI（Very Large-Scale Integration）是指集成电路技术中的一种技术，这种技术可以使几千个甚至几百万个电子元件集成在一个芯片上。
VLSI的发展使得集成电路的组织、设计、制造变得更加简单和经济。
因此，本课程旨在让学生了解VLSI的基础概念、设计方法和制造流程，同时通过实践，帮助学生掌握VLSI设计的基础知识和技能。
二、教学目标1. 理论目标•掌握VLSI设计的基本概念、原理和方法；•了解VLSI设计流程和制造工艺；•理解芯片设计中的时序、布局和布线等内容；•熟悉ASIC和FPGA的原理和应用。
2. 实践目标•熟悉VLSI设计工具的使用；•学会使用一些流行的VLSI仿真工具；•实现一个小型VLSI设计项目，加深对VLSI设计过程的理解。
第一部分：VLSI设计原理1.VLSI概述2.VLSI设计流程3.VLSI芯片设计的基本概念4.芯片布局设计5.芯片布线设计6.阵列设计基础7.数字信号处理器的设计8.软件定义电台的设计9.ASIC设计基础10.FPGA的基本原理和应用第二部分：VLSI设计实践1.FPGA的简单应用2.Verilog HDL及其模块化设计方法3.VHDL语言及其模块化设计方法4.门级元件的设计和实现5.组合逻辑和时序逻辑的设计6.测试的方法和技巧7.系统级仿真本课程将采用以下教学方法：1.理论授课：讲解VLSI设计的基本概念、原理和方法；2.实验实践：通过一些实践操作，将理论知识具体化；3.设计实践：要求学生进行一些小型VLSI设计项目。
五、教学要求1. 学生要求本课程面向电子信息类等专业的学生，建议先修读模拟电子技术、数字电子技术等课程。
因为本课程需要学生具备一定的电路基础知识和编程能力。
2. 教师要求本课程需要教师具备丰富的VLSI设计经验，熟悉VLSI设计流程和常用工具，能够灵活运用各种学习资源，耐心指导学生进行设计项目。
VLSI设计的概述
简
介
Altera集成开发软件，支持Verilog HDL、VHDL和 AHDL 是 ALtera公司继 MAX＋ PLUS Ⅱ后新一代开发工具，支持百 万门级设计，适合大规模FPGA开发。软件改善了对第三方 软件的支持。还包含SOPC Builder，可自动添加参数化和 链接IP核，包括嵌入式系统等
2014-4-22 10
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
第1章 VLSI概述
系统级设计
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
混合电路设计
综合与仿真
数字电路设计
EDA工具
模拟电路设计
版图设计
PCB板设计
PLD开发
高速电路设计
图1 – 11
2014-4-22
EDA技术的主要应用范畴
公司名 Cadence Synopsys Mentor Graphics
1999 523.4 491.7 327.8
2000 634.9 415.4 348.9
2001 838.8 332.9 329.8
4
5Avant!ຫໍສະໝຸດ Agilent 全球EDA 市场总计
220.3
50.9 2,274.4
222.3
CAD
2014-4-22
掩模
8
第1章 VLSI概述
①
CAD（Computer Aided Design）阶段
路 漫 漫 其 修 远 兮 吾 将 上 下 而 求 索
CAD阶段：是EDA技术发展的早期阶段。 原因：计算机的功能比较有限(16位)，还没有普 及；电子设计软件功能比较弱。 用途：对设计的电路的性能进行一些模拟和预测； 完成PCB板的布局布线及简单的版图绘制。 ② CAE（ Computer Aided Engineering）阶段
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电容变化引起沟 道电荷变化。
Q=CV
和MOS管相比， 工作原理发生变 化。
但仍是四端器件
VLSI系统设计-6 .1 （3）
去除SiO2
MEMS器件
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
微系统集成的问题
工艺兼容性；
材料复用性； 描述一致性和仿真一致性； 设计复杂性； 处理电路多样性。
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
3、集成胎压传感器
VLSI系统设计-6 .2 （19）
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
3、集成胎压传感器
压力使极板间距改变。 导致电容值改变。
VLSI系统设计-6 .2 （20）
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
4、集成陀螺仪
VLSI系统设计-6 .2 （21）
设计低噪声，抗干扰能力强的微弱信号检测电路 是电容式传感器的关键之一
电容的微小变化量转化为频率，电流，电压… C-F 、 C-I、PWM、C-V (电容电桥、开关电容法、
电荷放大法)
VLSI系统设计-6 .3 （30）
东南大学电子科学与工程学院
6.3 微弱信号处理
C-F方法
充电过程：开关闭合
i c dv dt
T1
C
S V B V A
I1
放电过程：开关断开
T2 CSIV2BI1VA
多谐振荡器 I1<I2
fT21 T1VBIV 1ACS1II1 2
VLSI系统设计-6 .3 （31）
东南大学电子科学与工程学院
6.3 微弱信号处理
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
4、集成陀螺仪--执行器+传感器
VLSI系统设计-6 .2 （22）
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
4、集成陀螺仪--执行器+传感器
VLSI系统设计-6 .2 （23）
MEMS陀螺
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
4、集成陀螺仪--执行器+传感器
东南大学电子科学与工程学院
6.3 微弱信号处理
噪声处理—斩波技术
Vchop t
Vchop
Vos+Vn
f fchop
Vos+Vn
Vchop_d t
Vchop_d
Vin
A
VA
VB
Vout
Vin
VA
VB
Vout
f fchop
f fchop
f fchop
f fchop
使用调制技术将信号转到更高的频率，此频段放大器没有1/f
几种简单的MEMS结构
1. 简单梁结构
VLSI系统设计-6 .1 （6）
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
几种简单的MEMS结构
2. 简单膜结构
VLSI系统设计-6 .1 （7）
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
几种简单的MEMS结构
3. 多方向运动结构
VLSI系统设计-6 .1 （8）
噪声，然后在经过放大后解调回基带，由于斩波不会提高白噪
声部分，所以斩波更适合低噪声电路。
VLSI系统设计-6 .3 （39）
东南大学电子科学与工程学院
小结：
MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技 术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系 统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微 型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通 信系统以及电源于一体的微机电系统。
VLSI系统设计-6 .2 （16）
传感器
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
2、集成加速度传感器
VLSI系统设计-6 .2 （17）
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
2、集成加速度传感器
静止极板与运动极板 间距因加速度而变。导 致电容大小改变。
VLSI系统设计-6 .2 （18）
VLSI系统设计-6 .1 （11）
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6.1 MEMS器件概念
多能域问题和复杂性设计问题
单片集成系统 = MEMS + 电路
描述:
力学 热学 电学 光学…..
仿真: FEM / BEM
电学 &
微电子学
KCL / KVL
版图 &
微电子加工工艺
VLSI系统设计-6 .1 （12）
C-I方法
初始情况:Cs上电压为0；
比较器输出为0，M1、M2截
X
止。 有1 效:Cs上电压不能突变，比
1 Vref
CS
较器反相端为Vref ，比较器输出
2
CP
为Vss，M2导通。 Cs放电，比
较器反相端趋于0，输出趋于0，
M2截止。
vdd
Ch arg e current
M1 Y
A3
M2
vss Disch arg e current
差分 VLSI系统设计-6 .3 （34）
东南大学电子科学与工程学院
6.3 微弱信号处理
C-V法 (开关电容法)
在φ1为高电平时，C1和Cref 放电，Cs充 电。此时存储在Cs两端的电荷Qs为：
QS VrefCS
在φ2为高电平时，C1和Cref 充电，Cs放 电。此时存储在Cref 两端的电荷Qref 为：
陀螺结构与原理
哥氏力产生的非振动方 向的运动引起梳齿相对运 动。导致电容值改变。
VLSI系统设计-6 .2 （24）
东南大学电子科学与工程学院
6.2 集成微系统
5、集成数字微镜DMD --执行器
VLSI系统设计-6 .2 （25）
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6.2 集成微系统
5、集成数字微镜--执行器
MEMS-采样/放大； 调制-解调； 模数变换； 数字信号处理； ……
VLSI系统设计-6 .1 （4）
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
几种简单的MEMS结构
1. 简单梁结构
VLSI系统设计-6 .1 （5）
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
VLSI系统设计-6 .3 （40）
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VLSI系统设计-6 .2 （26）
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6.2 集成微系统
5、集成数字微镜---6 .2 （27）
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6.2 集成微系统
5、集成数字微镜--执行器
DMD是MEMS执行器的应 用示例，利用寻址方式控制静 电驱动方式工作。
QrefVrefCref
C1上电荷Q1为：
Q 1 V reC fS C ref
输出电压为:
V o u V r t e C S f C re/C f1
开关电容电路的形式非 常多，但基本原理相同。
VLSI系统设计-6 .3 （35）
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6.3 微弱信号处理
6.2 集成微系统
1、集成湿度传感器
瑞士Sensirion公司SHT11/15型湿度／温度传感器
VLSI系统设计-6 .2 （14）
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6.2 集成微系统
1、集成湿度传感器
VLSI系统设计-6 .2 （15）
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6.2 集成微系统
1、集成湿度传感器
聚合物感湿材料介电 常数随湿度而改变。导 致电容大小改变。
有2 效:Cs放电到0电压。
ISFSVrefCS
VLSI系统设计-6 .3 （32）
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6.3 微弱信号处理
PWM方法
传感器以差分电容形式变化
VLSI系统设计-6 .3 （33）
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6.3 微弱信号处理
C-V 法(电容电桥法)
Vou t RSR 2R2R1R 3R3E
VLSI系统设计-6 .2 （28）
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6.3 微弱信号处理
电容检测 压阻检测 压电检测 隧道检测 热流式检测技术 谐振式检测技术 光纤式检测技术
VLSI系统设计-6 .3 （29）
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6.3 微弱信号处理
电容检测
传感电容～pf量级，电容变化～af量级 噪声～信噪比问题
VLSI系统设计-6 .3 （37）
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6.3 微弱信号处理
载波调制方法—双路载波
两路电荷求和
V ou tC C S f1V inC C S f2V inC S1C fC S2V in
采用高频载波进行调制，可以有效避开1/f 噪声 对电路的影响
VLSI系统设计-6 .3 （38）
VLSI系统设计
第6章 集成微系统（MEMS）
（2019-2019）
VLSI系统设计-6
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
一个例子:NMOSFET→谐振栅晶体管（RGT）
VLSI系统设计-6 .1 （2）
东南大学电子科学与工程学院
6.1 MEMS器件概念
一个例子:NMOSFET→谐振栅晶体管（RGT）
C-V法（电荷放大法）
VO
Qi Cf
CSVi Cf
dVO 1
dQi
Cf
电阻的作用是为运放提供直流反馈，使得反相输入为零。
VLSI系统设计-6 .3 （36）