数字集成电路chapter1
《数字集成电路》课件
1 滤波
去除噪声、增强信号的关键技术。
2 变换
将信号在时域与频域之间转换的方法。
3 压缩
减少数据量，方便存储和传输。
数字信号处理中的滤波器设计
FIR滤波器
时域响应仅有有限个点，稳定性好。
IIR滤波器
时域响应呈指数衰减，延时较小。
模拟/数字混合信号集成电路
1
基础理论
混合信号电路设计所需的模拟电路与数字电路基础知识。
时序逻辑电路
触发器与锁存器
用于存储时钟信号冲突消除和数 据暂存。
计数器
移位寄存器
用于计算和记录触发事件的数量。
用于数据移位操作，实现数据的 串行传输。
数字信号处理技术
数字信号处理（DSP）是用数字计算机或数字信号处理器对原始信号进行处理、分析和存储的一 种技术。它在通信、音频处理和图像处理等领域具有广泛应用。
《数字集成电路》PPT课 件
数字集成电路PPT课件大纲： 1. 什么是数字集成电路 2. 数字集成电路的分类和结构
数字电路设计的流程
1
需求分析
确定数字电路的功能与性能要求，并定义输入输出及约束条件。
2
电路设计
利用逻辑门、触发器等基本组件进行数字电路设计。
3
电路仿真
使用仿真软件验证数字电路中的电气特性和功能。
2 低功耗设计
3 增强型通信
减少功耗，延长电池寿命。
提升通信性能和速度。
2
模拟数字转换
模拟和数字信号之间的转换方法和技术。
3
功耗与噪声
如何平衡功耗Βιβλιοθήκη 噪声性能。电路模拟与仿真SPICE仿真
使用电路仿真软件模拟电路 的工作状态。
参数提取与建模
数字集成电路设计第1章引论讲义.
v0
v1
v2
v3Biblioteka v4v5v6
v1 = f(v0) v1 = finv(v2)
v3
v1 finv(v)
f(v)
v1 v3
finv(v)
f(v)
v2
v0
v0
v2
2.4抗噪声能力
噪声容限描述的一个电路超过一个 噪声源的能力。 抗噪声能力则表明系统在噪声存在的情况下 正确处理和传递信息的能力。许多数字电路， 它们的噪声容限很小，但却有很好的抗噪声 能力。
4、工艺尺寸的缩小会使以抽象为基础的模型的其 它一些缺陷更为明显。例如时钟分布、电源分布 这样的问题更为关键。 5、工艺水平提高导致新的设计问题和约束条件会 不断出现。如功耗、器件和互连线寄生参数之间的 比例。 6、对一个设计进行检查和排错需要电路方面的 专门知识。
数字电路设计中运用的典型抽象层次按抽象程度增加的顺序依次为：
三、为什么在设计自动化可以解决所有的设计问题后， 我们还要去关心数字集成电路的设计呢？
原因如下：
1、工艺升级后，而模型库不能直接移植
2、对模块内部的理解。例如数字电路中对一个单元内部的 关键是时序路径的寻找 3、以抽象为基础的方法只在一定程度上是正确的。例如一个 加法器的性能还与其环境连接方式的影响。
二、功能性和稳定性
1电路响应出现偏离的原因： a,制造过程中存在差异 b,芯片上或芯片外存在的干扰噪声源。对数字电路而言，噪声 为指在逻辑节点上不希望发生的电压或电流的变化。 数字系统中的大多数噪声都是内部产生的，噪声的值与信号的 摆幅成正比。 如何克服这些噪声干扰是高性能数字电路设计所面临的主 要挑战之一。
噪声源可分为以下两种类型： A,与信号摆幅VSW成正比的噪声。它对信号节点的影响用gVsw来 表示 B,固定噪声。它对信号节点的影响等于fVNf,VNf是噪声源的幅值， 而f是从噪声到信号节点的传递函数
数字集成电路知识点整理
Digital IC：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统第一章引论1、数字IC芯片制造步骤设计：前端设计（行为设计、体系结构设计、结构设计）、后端设计（逻辑设计、电路设计、版图设计）制版：根据版图制作加工用的光刻版制造：划片：将圆片切割成一个一个的管芯（划片槽）封装：用金丝把管芯的压焊块（pad）与管壳的引脚相连测试：测试芯片的工作情况2、数字IC的设计方法分层设计思想：每个层次都由下一个层次的若干个模块组成，自顶向下每个层次、每个模块分别进行建模与验证SoC设计方法：IP模块（硬核（Hardcore)、软核（Softcore)、固核（Firmcore））与设计复用 Foundry（代工）、Fabless（芯片设计）、Chipless（IP设计）“三足鼎立”——SoC发展的模式3、数字IC的质量评价标准（重点：成本、延时、功耗，还有能量啦可靠性啦驱动能力啦之类的）NRE (Non-Recurrent Engineering) 成本设计时间和投入，掩膜生产，样品生产一次性成本Recurrent 成本工艺制造（silicon processing），封装（packaging），测试（test）正比于产量综合可以相互转化加了功耗信息一阶RC网路传播延时：正比于此电路下拉电阻和负载电容所形成的时间常数功耗：emmmm自己算4、EDA设计流程IP设计系统设计（SystemC）模块设计（verilog）版图设计(.ICC) 电路级设计（.v 基本不可读）综合过程中用到的文件类型(都是synopsys)：.db（不可读） .lib（可读）.sdb .slib第二章器件基础1、保护IC的输入器件以抗静电荷（ESD保护）2、长沟道器件电压和电流的关系：3、短沟道器件电压和电流关系速度饱和：当沿着沟道的电场达到临界值ξC时，载流子的速度由于散射效应（载流子之间的碰撞）而趋于饱和。
数字集成电路设计英文版课程设计
Digital Integrated Circuit Design Course Design(English Version)AbstractDigital integrated circuit design is an important subject in thefield of electrical engineering. With the rapid development ofelectronic technology, digital integrated circuits have been widely used in various electronic devices. In this course design, the theoretical knowledge of digital integrated circuit design will be combined with practical applications, and students are required to design and simulate various digital integrated circuits.Learning GoalsThe goal of this course design is to enable students to understand the basic principles of digital integrated circuit design and to master the key design techniques and methods. By completing this course design, students will be able to:•Understand the principles and design methods of basic digital circuits•Design and simulate various digital integrated circuits•Analyze and optimize circuit performance•Apply design principles to solve practical problemsCourse OutlineChapter 1 - Introduction•Overview of digital integrated circuit design•Design flow of digital integrated circuits•Different CAD tools and simulation methodsChapter 2 - Combinational Logic Circuit Design•Boolean algebra and logic gate symbols•Minimization of Boolean function•Design of combinational logic circuits using gate-level and HDL-based methodsChapter 3 - Sequential Logic Circuit Design•Basic sequential circuits: latch and flip-flop•State machines and state diagrams•Design of sequential logic circuits using HDL-based methods Chapter 4 - Arithmetic Circuit Design•Design of half and full adders•Design of subtractors, multipliers, and dividers•Design of ALU and data path circuitsChapter 5 - Memory Circuit Design•SRAM and DRAM cell design•ROM and PLA circuit design•Design of register files and memory hierarchyChapter 6 - Verification and Testing•Overview of verification and testing•Test pattern generation and fault simulation•Design for testability and built-in self-testChapter 7 - Advanced Topics•Low-power design techniques•Clock distribution and clock gating design•Digital signal processing and custom circuitsCourse Design RequirementsThe following requirements should be met by students in the course design:1.Choose a digital integrated circuit design topic from thecourse outline.2.Write a design proposal that includes the design goal,specifications, and implementation plan.e industry-standard CAD tools to design and simulate thecircuit.4.Analyze the circuit performance and optimize the design ifnecessary.5.Write a final report that includes the circuit design,simulation results, and analysis.ConclusionBy completing this course design, students will have a deep understanding of digital integrated circuit design and simulation. They will be able to apply their knowledge to practical circuit design and bewell prepared for further study or work in the field of digital integrated circuits.。
数字集成电路简介.ppt
v(t)
– 耦合电容 - 其中一条导线上电压的 变化会影响相邻导线上的信号
i(t)
– 耦合电感 - 其中一条导线上电流的 变化会影响相邻导线上的信号
VD
• 电源线和地线上的噪声
D
– 会影响该门的信号电平
说明：噪声是数字电路工程中一个主要关注的问题。如何克服所有这 些干扰是高性能数字电路设计所面临的主要挑战之一。
2019年12月31日12时10分
例题1.2 电源分布网络对系统设计的挑战
功能块A
功能块B
功能块A
功能块B
A. 布线通过功能块
引论. 26
B. 布线绕过功能块
2019年12月31日12时10分
1.3 数字设计的质量评价
• 集成电路的成本 • 功能性和稳定性 • 性能 • 功耗和能耗
• 为了保证整个设计层次中定义的一致性，我们采用了从下 而上的设计方法：从定义一个简单反相器基本的质量评定 标准开始，并逐渐将它们扩展到如逻辑门、模块和芯片这 些更为复杂的功能
数字IC（组合/时序） 模拟IC（线性/非线性）
模数混合IC 通用IC、专用IC
2019年12月31日12时10分
划分集成电路规模的标准
类型
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
数字集成电路
MOS IC
双极 IC
<100
<100
100~1000
100~500
103 ~ 105
500~2000
引论. 14
2019年12月31日12时10分
集成电路的概念
• Integrated Circuit，缩写IC
• 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源 器件、电容和电阻等无源器件，按照一定的电路互连， “集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封 装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能
数字电子电路第二版电子课件第一章数字电路基础
§１—１ 数字信号与数字电路
4
第一章 数字电路基础
当人们在超市购物结账付款时，收银员只要把条形码扫描器对准货物上 的条形码一扫，计算机屏幕上立刻就会显示该物品的价格。这是因为条形 码经扫描器扫描后，会产生相应的“数字信号”，经计算机处理后就可以 显示为货物的名称及价格等信息，进而可刷卡付款，打印付款收据。超市 自动收款设备如图所示。
非逻辑开关电路
44
第一章 数字电路基础
图所示为非门逻辑符号。非门真值表见表。 非门的逻辑功能可概括为“有0出1，有1出0”。非门的逻辑表达式为：
该表达式读作Y等于A非。
非门真值表
非门逻辑符号
45
28
第一章 数字电路基础
几种常见的BCD码
29
第一章 数字电路基础
（1）8421BCD码 最常用的BCD码是8421BCD码。 （2）5421BCD码 5421BCD码也是一种有权码，从高位到低位分别是5、4、2、1。 （3）2421BCD码 2421BCD码也是一种有权码，从高位到低位的权分别是2、4、2、1。 （4）余3码 这是一种无权码，它是在相应的8421BCD码上加0011（3）得到的。
15
第一章 数字电路基础
用数字电路测量电动机转速的原理框图
16
第一章 数字电路基础
2. 四人抢答器 四人抢答器原理框图如图所示。
四人抢答器原理框图
17
第一章 数字电路基础
从以上两个电路的工作过程可以看出，数字电路大致包含数字信号的产 生与整形、编码、寄存、译码、显示等典型单元数字电路。
此外，为了将传感器转换而来的模拟信号转换成控制系统所需要的数字 信号，必须采用模数转换器（A/D Converter）。数字信号被处理后，通常 还要经过数模转换器（D/A Converter）恢复成模拟信号，去驱动执行元件， 如图所示。
《数字集成电路设计》课件
深入研究加法器和减法器的原理，了解如何进行数字的加法和减法运算。
贝叶斯定理在电路设计中的应 用
介绍贝叶斯定理在电路设计中的应用场景，讲解如何利用先验知识和观测结 果进行后验概率的计算。
层级与模块化设计
层级设计
了解层级设计的原理和方法，掌握如何将复杂的电 路分解为多个模块进行设计和测试。
仿真实例
通过案例分析和实际仿真实例，加深对 电路仿真工具和流程的理解和应用。
计算机辅助设计方法与工具介 绍
介绍计算机辅助设计的基本原理和方法，以及常用的电路设计工具，包括EDA 软件和硬件描述语言。
引言
数字集成电路设计是现代信息技术的关键领域，本课程将深入探讨数字电路 设计的理论和实践，为学生打下坚实的基础。
逻辑门与布尔代数
了解常用逻辑门的工作原理，掌握布尔代数的基本概念和运算规则，为后续的电路设计奠定基础。
时序逻辑电路设计基础
1
触发器和计数器
2
深入研究各种触发器和计数器的原理和
应用，掌握时序逻辑电路的设计技巧。
《数字集成电路设计》PPT课件
数字集成电路设计PPT课件大纲： 1. 引言 2. 逻辑门与布尔代数 3. 时序逻辑电路设计基础 4. 组合逻辑电路设计 5. 贝叶斯定理在电路设计中的应用 6. 层级与模块化设计 7. 电路仿真工具与流程 8. 计算机辅助设计方法与工具介绍 9. 电路优化与验证 10. 技术与制造工艺介绍 11. 功耗优化与电源管理 12. 嵌入式系统设计基础 13. CPU架构设计基础 14. SOC（系统片上集成电路）设计基础 15. 集成电路测试方法与介绍
模块化设计
学习模块化设计的思想和技术，掌握如何将多个模 块进行组合，实现复杂功能的集成电路设计。
数字集成电路第1章PPT课件
双极集成电路的基本制造工艺
掺硼P型硅作为衬底材料并进行初始氧化,以形 成二氧化硅表层,然后再进行隐埋层光刻以形 成一个窗口后进行N+层掺杂,接着就用外延层 所覆盖,故称隐埋层
制作隐埋层后,去除表面的二氧化硅,再进行N 型外延层生长
掺P型材料进行隔离扩散. 用第三块掩模版完成基区光刻
双极集成电路的基本制造工艺
基区重掺杂 制作晶体管发射极和集电极 形成表面金属互连接的接触区 完成一层金属铝膜的沉积,然后再介质淀积 在介质层上蚀刻出连接通孔 成第二层金属铝膜的沉积 后续工序,划片,粘片,压焊,封装,测试分类,筛选,
成品测试,入库
双极集成电路应用
TTL,DTL,RTL,HTL,ECL STLL,SLTTL,I2L,I3L ASTLL.ASLTTL
环 长PSG 引线孔光刻 铝引线光刻 压焊块光刻
N阱硅栅CMOS工艺（略）
▪ 双阱硅栅CMOS工艺
BI---CMOS工艺
双极工艺特点： 速度高、驱动能力强、模拟精度高 但功耗、集成度无法满足VLSI的
要求
BI---CMOS工艺
CMOS工艺特点： 功耗低、集成度高、抗干扰能力强 但速度低、驱动能力差
成
P+
NPN管的基区扩散 PMOS管的源、漏区扩散 横向PNP管集电区、发射区扩散 纵向PNP管的发射区扩散可以同时进行完成
以双极性工艺为基础的P阱BICMOS工艺
栅氧化在PMOS管沟道注入以后进行 可获的大电流、高压 LDMOS-LOW DOUBLE MOS VDMOS-VERTICAL DOUBLE MOS
以双极性工艺为基础的BI-CMOS工艺
以双极性工艺为基础的P阱BI-CMOS工艺 以双极性工艺为基础的双阱BI-CMOS工艺 特点是对双极器件有利
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8008 4004
0.1 1971 1974 1978 Year 1985 1992 2000
主流处理器功耗持续增加（CMOS工艺的采用出现短暂下降）
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Circuits2nd
Courtesy, Intel
Introduction
23
Power will be a major problem
EE141 © Digital Integrated Circuits2nd
The First Transistor
•1947年 Bell Lab的 布拉顿和巴 丁发明了第 一只晶体管 •1948年 Bell Lab的 肖克利发明 了现代晶体 管的始祖— —结型晶体 管
9
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd Introduction
3
EE141 © Digital Integrated
Class Material
Textbook: “Digital Integrated Circuits – A Design Perspective,” 2nd Edition, by J.Rabaey, A. Chandrakasan, and B. Nikolic
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
Circuits2nd Introduction
17
Evolution in Complexity
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Circuits2nd
Introduction
18
Transistor Counts
K 1,000,000 100,000 10,000 1,000 100 10
8086
Source: Intel
1 Billion Transistors
Pentium® III Pentium® II Pentium® Pro Pentium®
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Circuits2nd
Introduction
2
What is this Course all about?
Introduction to digital integrated circuits.
manufacturing CMOS devices Wire CMOS inverters Static/Dynamic CMOS gates Sequential circuits Interconnect Arithmetic memories
Circuits2nd
Introduction
11
The First MOS Device
1957年仙童半导体公司成 功地制造出金属氧化物半 导体（MOS）器件 1958年美国仙童电子公司 赫尔尼等人发明了一整套 制作微型晶体管的新工艺 ──“平面工艺“被移用到 集成电路的制作中，使集 成电路很快从实验室研制 试验阶段转入工业生产阶 段。
8086 10 4004 Hot Plate P6 8008 8085 Pentium® proc 386 286 486 8080 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year
功率密度太大，以至于无法降低结温
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
Introduction
15
Moore’s Law
1965年,
Gordon Moore 预测 :
单芯片的晶体管数以每18个月～24个 月翻倍.
EE141 © Digital Integrated
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Introduction
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Circuits2nd
Introduction
6
The First Vaccum Tube
1904年英国电气工程师弗 莱明发明第一只真空二极 管 1906年美国科学家德· 福雷 斯特发明第一只具有放大 作用的真空三极管 电子管产生后，计算机便 跨入电子纪元 左下图是现在使用的电子 管
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Circuits2nd
Introduction
5
The First Computer
•1834年 Babbage发明 •差动引擎机械计算装置 （Difference Engine） •25,000 各机械部件 •成本为 £17,470
特点： •十进制系统 •可执行加减乘除运算 •基本概念与现代计算机 很相似 •设计复杂 •成本高昂
22
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Circuits2nd
Courtesy, Intel
Introduction
Power Dissipation
100 P6 Pentium ® proc 10 8086 286 1 8085 8080 486 386 Power (Watts)
Units
48M 86M 162M 260M 435M
Analog Baseband
Digital Baseband (DSP + MCU)
(data from Texas Instruments)
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
Introduction
26
16
EE141 © Digital Integrated
LO G 2 O F THE NUM BER OF COM PONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Moore’s Law
Electronics, April 19, 1965.
Challenges in Digital Design
DSM
“Microscopic Problems”
• Ultra-high speed design • Interconnect • Noise, Crosstalk • Reliability, Manufacturability • Power Dissipation • Clock distribution. Everything Looks a Little Different
EE141 © Digital Integrated
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Introduction
12
Intel 4004 Micro-Processor
1971年 仅用NMOS 2250 个晶体管 3x4mm2 108kHz 时钟速率 历史 CMOS PMOS NMOS CMOS
主流的单片处理器晶体管数约每2年翻倍
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
Introduction
20
Die Size Growth
100 Die size (mm)
10 8080 8008 4004 1 1970 8086 8085 286
386
P6 Pentium ® proc 486
Courtesy, Intel
Introduction
25
Not Only Microprocessors
Cell Phone
Small Signal RF Power RF
Digital Cellular Market (Phones Shipped)
Power Management
1996 1997 1998 1999 2000
Circuits2nd
Introduction
TRADIC - The first full-transisitor computer (1955)
贝尔实验室研制出 世界上第一台全晶 体管计算机 TRADIC， 装有 800只晶体管，仅 100瓦功率，体积3 立方英尺。
EE141 © Digital Integrated
i486 i386 80286
1 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Projected
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
Courtesy, Intel
Introduction
19
Moore’s law in Microprocessors
EE141 © Digitation
13
Intel Pentium (IV) microprocessor
EE141 © Digital Integrated
Circuits2nd
Introduction
14
目录
历史回顾 数字IC设计中的问题 数字设计的质量评价
Circuits2nd
Introduction
10
The First Integrated Circuits
1958年TI的Jack Kilby 制成了世界 上第一块集成电 路。使用半导体 单晶硅制成了相 移振荡器，其中 的每个元器件已 不需要用金属导 线相连。
EE141 © Digital Integrated
EE141 © Digital Integrated