CMOS数字集成电路 chapter1
1/DSM
“Macroscopic Issues”
• Time-to-Market • Millions of Gates • High-Level Abstractions • Reuse & IP: Portability • Predictability • etc. …and There’s a Lot of Them!
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Introduction
10
Moore’s Law
In
1965, Gordon Moore noted that the number of transistors on a chip doubled every 18 to 24 months. He made a prediction that semiconductor technology will double its effectiveness every 18 months
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Introduction
4
The First Computer
The Babbage Difference Engine (1832) 25,000 parts cost: ? 7,470
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8080 8008 4004 1980 1990 Year 2000 2010
Lead Microprocessors frequency doubles every 2 years
17
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Courtesy, Intel
Introduction
i486 i386 80286
1 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Projected
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Courtesy, Intel
Introduction
14
Moore’s law in Microprocessors
Moore’s Law
Electronics, April 19, 1965.
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
Circuits2nd Introduction
12
Evolution in Complexity
Small Signal RF Power RF
Digital Cellular Market (Phones Shipped)
Power Management
1996 1997 1998 1999 2000
Units
48M 86M 162M 260M 435M
Analog Baseband
Digital Baseband (DSP + MCU)
Introduction
1
What is this book all about?
Introduction to digital integrated circuits.
CMOS devices and manufacturing technology. CMOS inverters and gates. Propagation delay, noise margins, and power dissipation. Sequential circuits. Arithmetic, interconnect, and memories. Programmable logic arrays. Design methodologies.
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Introduction
5
ENIAC - The first electronic computer (1946)
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Introduction
6
The Transistor Revolution
First transistor Bell Labs, 1948
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Introduction
11
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LOG2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Digital Integrated Circuits
A Design Perspective
Jan M. Rabaey Anantha Chandrakasan Borivoje Nikolic
Introduction
July 30, 2002
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7
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Introduction
The First Integrated Circuits
Bipolar logic 1960’s
ECL 3-input Gate Motorola 1966
8
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Introduction
Intel 4004 Micro-Processor
1971 1000 transistors 1 MHz operation
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Introduction
9
Intel Pentium (IV) microprocessor
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Introduction
2
Digital Integrated Circuits
Introduction: Issues in digital design The CMOS inverter Combinational logic structures Sequential logic gates Design methodologies Interconnect: R, L and C Timing Arithmetic building blocks Memories and array structures
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Courtesy, Intel
Introduction
18
Power will be a major problem
100000 10000 Power (Watts)
1000
100
18KW 5KW 1.5KW 500W
Pentium® proc
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Introduction
13
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®
Power density too high to keep junctions at low temp
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Courtesy, Intel
Introduction
20
Not Only Microprocessors
Cell Phone
(data from Texas Instruments)
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Circnges in Digital Design
DSM
“Microscopic Problems”
• Ultra-high speed design • Interconnect • Noise, Crosstalk • Reliability, Manufacturability • Power Dissipation • Clock distribution. Everything Looks a Little Different
386
P6 Pentium ® proc 486
~7% growth per year ~2X growth in 10 years
1980
1990 Year
2000
2010
Die size grows by 14% to satisfy Moore’s Law
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3
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Introduction
Introduction
Why
is designing digital ICs different today than it was before? Will it change in future?
CMOS 模拟集成电路课件完整
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
超大CMOS集成电路原理chapter.ppt
Important for level sensitive clocking
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7
Timing Issues
Clock Skew and Jitter
Clk Clk
Logic
25
Timing Issues
Slack-borrowing
In
L1 DQ
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Digital Integrated Circuits
A Design Perspective
Jan M. Rabaey Anantha Chandrakasan Borivoje Nikolić
Timing Issues
January 2003
When data arrives to closed latch Data has to be ‘re-launched’
23
Timing Issues
Single-Phase Clock with Latches
Latch
Logic
Tskl Tskl
Tskt Tskt
Clk PW P
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Tc-q + TLM – TJI,1 < TH + TJI,2 +
Minimum logic delay
Tc-q + TLM < TH + 2TJI+
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CMOS数字集成电路应用百例
CMOS数字集成电路应用百例作者：姜艳波出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：36元优惠价：32元进入20世纪，书籍已成为传播知识、科学技术和保存文化的主要工具。
随着科学技术日新月异地发展，传播知识信息手段，除了书籍、报刊外，其他工具也逐渐产生和发展起来。
但书籍的作用，是其他传播工具或手段所不能代替的。
在当代, 无论是中国，还是其他国家，书籍仍然是促进社会政治、经济、文化发展必不可少的重要传播工具。
详细介绍：第1章CMOS数字集成电路基础知识11 1数字集成电路的类型11 2CMOS集成电路简介11 2 1CMOS集成电路概念21 2 2CMOS集成电路性能特点21 2 3CMOS集成电路工作原理5第2章门电路逻辑电路实例7【例2 1】四2输入端或非门CD4001组成的调制器电路7【例2 2】四2输入端或非门CD4001组成的门控照明开关电路8【例2 3】四2输入端或非门CD4001组成的电子门铃电路8【例2 4】四2输入端或非门CD4001组成的金属探测器电路9【例2 5】双4输入端或非门CD4002组成的霓虹灯10【例2 6】四2输入与非门CD4011组成的光控制器电路12【例2 7】四2输入与非门CD4011组成的超声波距离控制报警电路14【例2 8】四2输入与非门CD4011构成热控理疗仪电路15【例2 9】CD4011B组成的防盗报警器电路16【例2 10】双4输入与非门CD4012组成的报警器电路18【例2 11】三3输入与非门CD4023构成自动控制器电路19【例2 12】8输入与非/与门CD4068组成的电子密码锁电路21【例2 13】6反相器CD4069组成的双音调电路22【例2 14】6反相器CD4069构成的增强电路24【例2 15】6反相器CD4069构成的充电器电路24【例2 16】四2输入异或门CD4070构成的光强控制电路24【例2 17】四2输入或门CD4071组成的脉冲转换电路26【例2 18】双4输入或门CD4072组成的密码锁电路（CD4508、CD4070、CD4017）27 【例2 19】双4输入或门CD4072构成的遥控电路29【例2 20】4异或非门CD4077构成的同步信号自动发生器电路30【例2 21】四2输入与门CD4081构成的流水灯控制器电路31【例2 22】双4输入与门CD4082构成的脉冲发生器电路33【例2 23】四2输入与非门CD4093组成的脉冲和脉冲串发生器电路34【例2 24】CD4093B组成的密码式电子门铃电路35【例2 25】4异或门CD4030组成的液晶显示电子温度表电路37【例2 26】8输入多功能门CD4048组成的16输入端或非门电路39【例2 27】三3输入端或非门CD4025组成的数字设定型标准电源电路41第3章逻辑运算电路实例44【例3 1】双互补对加反相器CD4007构成的压控振荡器电路44【例3 2】4位二进制超前进位全加器CD4008组成的并行加法器电路45【例3 3】双4位移位寄存器CD4015组成的LED流水灯电路47【例3 4】十进制计数器分频器CD4017构成的调速开关电路49【例3 5】十进制计数器分频器CD4017与CD4518、555共同构成的电话检测仪电路51 【例3 6】十进制计数器分频器CD4017与555构成的电子计数器电路52【例3 7】十进制计数器分频器CD4017组成的定时控制器电路53【例3 8】十进制计数器分频器CD4017构成的控制器电路53【例3 9】十进制计数器分频器CD4017构成的倒车雷达54【例3 10】14位同步2进制计数器CD4020构成的60Hz频率源电路55【例3 11】8位移位寄存器CD4021与555组成的控制电路57【例3 12】8计数器/分频器CD4022构成的自动开关电路58【例3 13】8计数器/分频器CD4022构成的光控式控制电路59【例3 14】64位静态异位寄存器CD4031与CD4093、CD4081、CD4001组成的计数器电路60 【例3 15】12位同步二进制计数器CD4040构成的电脉冲电路62【例3 16】12位同步二进制计数器CD4040组成的电池充电器电路64【例3 17】十进制同步加/减计数器CD4510与BCD比例乘法器CD4527组成的计算电路65【例3 18】8通道数据选择器CD4512组成的脉冲宽度发生器电路67【例3 19】双十进制同步寄存器CD4518与CD4069构成的数字式脉宽测量电路69【例3 20】双十进制同步寄存器CD4518组成的定时器电路71【例3 21】BCD比例乘法器CD4527组成的比例乘法运算电路72【例3 22】优先编码器CD4532与CD4511、555共同构成的8路数字显示优先电路74【例3 23】程控定时器CD4541与CD4001，8050构成的自动充电器电路77【例3 24】CD4541组成的定时器电路78【例3 25】CD4541构成的定时闹钟电路79【例3 26】十进制计数/分配器CD4017B与555构成的LED灯闪烁电路79【例3 27】可预制N分频/计数器CD4018组成的无线电遥控电路81【例3 28】7位同步二进制计数器CD4024构成的脉冲电压电路84【例3 29】7位同步二进制计数器CD4024组成的高压脉冲电路85【例3 30】可预置数可逆计数器（4位二进制或BCD码）CD4029组成定时控制器电路87【例3 31】14二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060组成的充电器电路89【例3 32】14二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060构成磁脉冲电路92【例3 33】14级二进制串行计数器CD4060B组成的循环定时控制器电路93【例3 34】14级串行二进制计数/分频振荡器CD4060B构成定时器电路94【例3 35】4位二进制同步加/减计数器（有预置端）CD4516显示和控制电路94【例3 36】双同步4位二进制加计数器CD4520组成的密码锁电路97【例3 37】双同步4位二进制加计数器CD4520构成的脉冲控制器电路99【例3 38】可预置数4位二进制加/减计数器CD40193组成的红外线遥控电路100【例3 39】可预置数4位二进制加/减计数器CD40193组成的流水灯电路（CD4067、NE555）103 【例3 40】4位二进制加减计数器CD40198组成的控制输出电路103【例3 41】可预置数BCD加/减计数器CD40192与NE555、C302构成的控制电路104第4章总线驱动与开关电路实例108【例4 1】6缓冲/反相器CD4009组成的碰触式开关电路108【例4 2】4双向开关CD4016与NE564构成的FSK电路109【例4 3】四2开关CD4066组成的直流稳压电源110【例4 4】四2开关CD4066组成的超声波电路113【例4 5】4双向开关CD4066组成的行程指示电路114【例4 6】4D锁存器CD4042与555共同构成的开机限时器电路114【例4 7】4R S锁存器CD4043构成的密码锁电路116【例4 8】4R S锁存器CD4043组成的电话密码锁电路118【例4 9】8位移位／存储总线寄存器CD4094组成的CMOS报警电路119【例4 10】双4位锁存器CD4508构成的显示拨号电路122【例4 11】双2输入端与非缓冲／驱动器CD40107与CD4028构成的互锁开关124【例4 12】CD40157组成的4路电子切换开关电路125第5章稳态电路与锁相环电路实例126【例5 1】锁相环CD4046构成的超声波电路126【例5 2】锁相环CD4046构成充电器电路127【例5 3】锁相环CD4046构成的电解电路128【例5 4】锁相环CD4046组成的金属探测器电路129【例5 5】可双重触发单稳态触发器CD4098组成的交换机电路130【例5 6】双重单稳态多谐振荡器CD4528构成的延时电路132【例5 7】双重单稳态多谐振荡器CD4528与555定时器组成的报警器电路134【例5 8】双重单稳态多谐振荡器CD4538构成的温度控制电路134【例5 9】单稳态触发／无稳多谐振荡器CD4047B组成的线性振荡器电路136【例5 10】单稳态触发／无稳多谐振荡器CD4047B组成的晶体管检测仪电路138【例5 11】4三态R S锁存触发器（“0”触发）CD4044组成的电子密码锁电路138 【例5 12】双D触发器CD4013构成的感应开关电路141【例5 13】双D触发器CD4013构成的低频电路143【例5 14】双J K触发器CD4027组成的电动机保护器电路144【例5 15】3输入端J K触发器CD4096音频控制器电路146【例5 16】6施密特触发器CD40106构成的电子计数器电路148第6章其他电路实例151【例6 1】8位移寄存器（串/并入，串出）CD4014组成的555超声波电路151【例6 2】8位移寄存器CD4014组成的并行 串行数据转换电路153【例6 3】CD4016AE与LM307N组成的定时器电路154【例6 4】四 十线译码器CD4028组成的直流稳压电源电路154【例6 5】6反相缓冲/变换器CD4049组成的可调直流稳压电源电路157【例6 6】6同相缓冲／变换器CD4051与CH3130组成的解调器电路159【例6 7】6反向缓冲器（三态输出）CD4052和CD4024组成的4输入开关电路161【例6 8】6反向缓冲器CD4052与CD4011组成的3路切换开关电路163【例6 9】CD4052B光强度的检测电路164【例6 10】BCD 7段码／液晶驱动CD4055与CD4027、CD40192组成的计分器电路166 【例6 11】16选1模拟开关CD4067组成的红外报警电路168【例6 12】CD4089构成的方向演示器电路170【例6 13】8位可寻址锁存器CD4099构成的电话密码锁电路172【例6 14】可选通三态输出6反相/缓冲器CD4502构成的多路传输开关175【例6 15】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511构成的16通道数显式自动巡检电路176 【例6 16】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511构成的电容检测电路179【例6 17】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511电子秤电路180【例6 18】BCD 7段锁存译码器/驱动器CD4511B与CD4518B组成的电话记录器电路180 【例6 19】BCD 7段锁存/译码/驱动器CD4513组成的数字电压表电路183【例6 20】4位锁存/4 16线译码器CD4514与NE555构成的风扇控制器184【例6 21】4 16译码器/多路分配器CD4515组成的555 15路红外发射电路187【例6 22】可编程BCD计数器CD4522构成的PLL合成振荡器电路190【例6 23】CD4541B组成的延时开关电路192【例6 24】BCD 锁存／7段译码／驱动器CD4543与CD4518组成的计数器电路194【例6 25】三2路模拟开关CD4553组成的电子计数显示电路196【例6 26】三2路模拟开关CD4553与CD4511构成的电子计数器电路198【例6 27】三2路模拟开关CD4553组成的电子温度计电路199【例6 28】6施密特触发器CD4584组成的广告装饰灯电路199【例6 29】4位数值比较器CD4585组成的脉宽控制电路202【例6 30】十进制加/减计数器/译码/锁存/驱动器CD40110构成的数字计数器电路（CD40110、CD4011、LM7805）204【例6 31】10 4线优先编码器CD40147组成的模拟信号数字电路205【例6 32】6上升沿D触发器CD40174组成的电话遥控的8路遥控器电路（CD40174、YN9101、CD4066）207【例6 33】CD40178组成的脉冲数选择电路209【例6 34】4位并／串移位寄存器CD40194组成的流水灯控制器电路209【例6 35】CD40194组成的双向移位寄存器电路212参考文献213CMOS数字集成电路应用百例CMOS数字集成电路应用百例CMOS数字集成电路应用百例第1章CMOS数字集成电路基础知识11 1数字集成电路的类型11 2CMOS集成电路简介11 2 1CMOS集成电路概念21 2 2CMOS集成电路性能特点21 2 3CMOS集成电路工作原理5第2章门电路逻辑电路实例7【例2 1】四2输入端或非门CD4001组成的调制器电路7【例2 2】四2输入端或非门CD4001组成的门控照明开关电路8【例2 3】四2输入端或非门CD4001组成的电子门铃电路8【例2 4】四2输入端或非门CD4001组成的金属探测器电路9【例2 5】双4输入端或非门CD4002组成的霓虹灯10【例2 6】四2输入与非门CD4011组成的光控制器电路12【例2 7】四2输入与非门CD4011组成的超声波距离控制报警电路14【例2 8】四2输入与非门CD4011构成热控理疗仪电路15【例2 9】CD4011B组成的防盗报警器电路16【例2 10】双4输入与非门CD4012组成的报警器电路18【例2 11】三3输入与非门CD4023构成自动控制器电路19【例2 12】8输入与非/与门CD4068组成的电子密码锁电路21【例2 13】6反相器CD4069组成的双音调电路22【例2 14】6反相器CD4069构成的增强电路24【例2 15】6反相器CD4069构成的充电器电路24【例2 16】四2输入异或门CD4070构成的光强控制电路24【例2 17】四2输入或门CD4071组成的脉冲转换电路26【例2 18】双4输入或门CD4072组成的密码锁电路（CD4508、CD4070、CD4017）27【例2 19】双4输入或门CD4072构成的遥控电路29【例2 20】4异或非门CD4077构成的同步信号自动发生器电路30【例2 21】四2输入与门CD4081构成的流水灯控制器电路31【例2 22】双4输入与门CD4082构成的脉冲发生器电路33【例2 23】四2输入与非门CD4093组成的脉冲和脉冲串发生器电路34【例2 24】CD4093B组成的密码式电子门铃电路35【例2 25】4异或门CD4030组成的液晶显示电子温度表电路37【例2 26】8输入多功能门CD4048组成的16输入端或非门电路39【例2 27】三3输入端或非门CD4025组成的数字设定型标准电源电路41第3章逻辑运算电路实例44【例3 1】双互补对加反相器CD4007构成的压控振荡器电路44【例3 2】4位二进制超前进位全加器CD4008组成的并行加法器电路45【例3 3】双4位移位寄存器CD4015组成的LED流水灯电路47【例3 4】十进制计数器分频器CD4017构成的调速开关电路49【例3 5】十进制计数器分频器CD4017与CD4518、555共同构成的电话检测仪电路51【例3 6】十进制计数器分频器CD4017与555构成的电子计数器电路52【例3 7】十进制计数器分频器CD4017组成的定时控制器电路53【例3 8】十进制计数器分频器CD4017构成的控制器电路53【例3 9】十进制计数器分频器CD4017构成的倒车雷达54【例3 10】14位同步2进制计数器CD4020构成的60Hz频率源电路55【例3 11】8位移位寄存器CD4021与555组成的控制电路57【例3 12】8计数器/分频器CD4022构成的自动开关电路58【例3 13】8计数器/分频器CD4022构成的光控式控制电路59【例3 14】64位静态异位寄存器CD4031与CD4093、CD4081、CD4001组成的计数器电路60 【例3 15】12位同步二进制计数器CD4040构成的电脉冲电路62【例3 16】12位同步二进制计数器CD4040组成的电池充电器电路64【例3 17】十进制同步加/减计数器CD4510与BCD比例乘法器CD4527组成的计算电路65【例3 18】8通道数据选择器CD4512组成的脉冲宽度发生器电路67【例3 19】双十进制同步寄存器CD4518与CD4069构成的数字式脉宽测量电路69【例3 20】双十进制同步寄存器CD4518组成的定时器电路71【例3 21】BCD比例乘法器CD4527组成的比例乘法运算电路72【例3 22】优先编码器CD4532与CD4511、555共同构成的8路数字显示优先电路74【例3 23】程控定时器CD4541与CD4001，8050构成的自动充电器电路77【例3 24】CD4541组成的定时器电路78【例3 25】CD4541构成的定时闹钟电路79【例3 26】十进制计数/分配器CD4017B与555构成的LED灯闪烁电路79【例3 27】可预制N分频/计数器CD4018组成的无线电遥控电路81【例3 28】7位同步二进制计数器CD4024构成的脉冲电压电路84【例3 29】7位同步二进制计数器CD4024组成的高压脉冲电路85【例3 30】可预置数可逆计数器（4位二进制或BCD码）CD4029组成定时控制器电路87【例3 31】14二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060组成的充电器电路89【例3 32】14二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060构成磁脉冲电路92【例3 33】14级二进制串行计数器CD4060B组成的循环定时控制器电路93【例3 34】14级串行二进制计数/分频振荡器CD4060B构成定时器电路94【例3 35】4位二进制同步加/减计数器（有预置端）CD4516显示和控制电路94【例3 36】双同步4位二进制加计数器CD4520组成的密码锁电路97【例3 37】双同步4位二进制加计数器CD4520构成的脉冲控制器电路99【例3 38】可预置数4位二进制加/减计数器CD40193组成的红外线遥控电路100【例3 39】可预置数4位二进制加/减计数器CD40193组成的流水灯电路（CD4067、NE555）103【例3 40】4位二进制加减计数器CD40198组成的控制输出电路103【例3 41】可预置数BCD加/减计数器CD40192与NE555、C302构成的控制电路104第4章总线驱动与开关电路实例108【例4 1】6缓冲/反相器CD4009组成的碰触式开关电路108【例4 2】4双向开关CD4016与NE564构成的FSK电路109【例4 3】四2开关CD4066组成的直流稳压电源110【例4 4】四2开关CD4066组成的超声波电路113【例4 5】4双向开关CD4066组成的行程指示电路114【例4 6】4D锁存器CD4042与555共同构成的开机限时器电路114【例4 7】4R S锁存器CD4043构成的密码锁电路116【例4 8】4R S锁存器CD4043组成的电话密码锁电路118【例4 9】8位移位／存储总线寄存器CD4094组成的CMOS报警电路119【例4 10】双4位锁存器CD4508构成的显示拨号电路122【例4 11】双2输入端与非缓冲／驱动器CD40107与CD4028构成的互锁开关124【例4 12】CD40157组成的4路电子切换开关电路125第5章稳态电路与锁相环电路实例126【例5 1】锁相环CD4046构成的超声波电路126【例5 2】锁相环CD4046构成充电器电路127【例5 3】锁相环CD4046构成的电解电路128【例5 4】锁相环CD4046组成的金属探测器电路129【例5 5】可双重触发单稳态触发器CD4098组成的交换机电路130【例5 6】双重单稳态多谐振荡器CD4528构成的延时电路132【例5 7】双重单稳态多谐振荡器CD4528与555定时器组成的报警器电路134【例5 8】双重单稳态多谐振荡器CD4538构成的温度控制电路134【例5 9】单稳态触发／无稳多谐振荡器CD4047B组成的线性振荡器电路136【例5 10】单稳态触发／无稳多谐振荡器CD4047B组成的晶体管检测仪电路138【例5 11】4三态R S锁存触发器（“0”触发）CD4044组成的电子密码锁电路138 【例5 12】双D触发器CD4013构成的感应开关电路141【例5 13】双D触发器CD4013构成的低频电路143【例5 14】双J K触发器CD4027组成的电动机保护器电路144【例5 15】3输入端J K触发器CD4096音频控制器电路146【例5 16】6施密特触发器CD40106构成的电子计数器电路148第6章其他电路实例151【例6 1】8位移寄存器（串/并入，串出）CD4014组成的555超声波电路151【例6 2】8位移寄存器CD4014组成的并行 串行数据转换电路153【例6 3】CD4016AE与LM307N组成的定时器电路154【例6 4】四 十线译码器CD4028组成的直流稳压电源电路154【例6 5】6反相缓冲/变换器CD4049组成的可调直流稳压电源电路157【例6 6】6同相缓冲／变换器CD4051与CH3130组成的解调器电路159【例6 7】6反向缓冲器（三态输出）CD4052和CD4024组成的4输入开关电路161【例6 8】6反向缓冲器CD4052与CD4011组成的3路切换开关电路163【例6 9】CD4052B光强度的检测电路164【例6 10】BCD 7段码／液晶驱动CD4055与CD4027、CD40192组成的计分器电路166 【例6 11】16选1模拟开关CD4067组成的红外报警电路168【例6 12】CD4089构成的方向演示器电路170【例6 13】8位可寻址锁存器CD4099构成的电话密码锁电路172【例6 14】可选通三态输出6反相/缓冲器CD4502构成的多路传输开关175【例6 15】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511构成的16通道数显式自动巡检电路176【例6 16】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511构成的电容检测电路179【例6 17】BCD锁存/7段译码器/驱动器CD4511电子秤电路180【例6 18】BCD 7段锁存译码器/驱动器CD4511B与CD4518B组成的电话记录器电路180【例6 19】BCD 7段锁存/译码/驱动器CD4513组成的数字电压表电路183【例6 20】4位锁存/4 16线译码器CD4514与NE555构成的风扇控制器184【例6 21】4 16译码器/多路分配器CD4515组成的555 15路红外发射电路187【例6 22】可编程BCD计数器CD4522构成的PLL合成振荡器电路190【例6 23】CD4541B组成的延时开关电路192【例6 24】BCD 锁存／7段译码／驱动器CD4543与CD4518组成的计数器电路194【例6 25】三2路模拟开关CD4553组成的电子计数显示电路196【例6 26】三2路模拟开关CD4553与CD4511构成的电子计数器电路198【例6 27】三2路模拟开关CD4553组成的电子温度计电路199【例6 28】6施密特触发器CD4584组成的广告装饰灯电路199【例6 29】4位数值比较器CD4585组成的脉宽控制电路202【例6 30】十进制加/减计数器/译码/锁存/驱动器CD40110构成的数字计数器电路（CD40110、CD4011、LM7805）204【例6 31】10 4线优先编码器CD40147组成的模拟信号数字电路205【例6 32】6上升沿D触发器CD40174组成的电话遥控的8路遥控器电路（CD40174、YN9101、CD4066）207【例6 33】CD40178组成的脉冲数选择电路209【例6 34】4位并／串移位寄存器CD40194组成的流水灯控制器电路209【例6 35】CD40194组成的双向移位寄存器电路212参考文献213作者：姜艳波出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：36元优惠价：32元本店订购简单方便，可以选择货到付款、汇款发货、当地自取等方式全国货到付款，满200元免运费,更多请登陆文成图书。
CMOS集成电路设计基础-数字集成电路基础
1. AB段 在AB段， 0<Ui<UTHN, IDN=0, N管截止， P管 非恒流(饱和)导通， 有 Uo=UOH=UDD 2. BC段 UTHN<Ui<Uo+|UTHP| 即 UGDP=|Ui-Uo|<|UTHP|
3. CD段 当Ui进一步增大， 且满足 Uo+|UTHP|≤Ui≤Uo+UTHN N管和P管的电流相等， 根据电流方程：
测量门的延时可以用环型振荡器电路（一般至少五级反相器）实际 电路的最高工作频率比环振测得的低50-100倍
延时的定义
环型振荡器
（7）逻辑门的功耗
瞬时功耗: p(t) =v(t)i(t) =Vsupplyi(t) 峰值功耗: Ppeak =Vsupplyipeak
1 平均功耗: P ave T
Uo /(UG －UTH) UG Ui Uo CL Ui 0 1 UG 0 1 1
Uo 0 (理 想 0 ) 1 (非 理 想 1 )
1 0 1
UG －UTH
Ui / (UG －UTH) (c)
(a )
(b )
(a) 电路； (b) 等效开关； (c) 传输特性
(1) 当UG=“0”(接地)时， NMOS管截止(开关断开)， 输出Uo=0。
t iiD P D
P
V1
iD
t
t
(a) (a)
iD N
iD N (b) (b)
t
一周内CL充放电使管子产生的平均功耗
T2 1 T1 PD1 ( i U ) dt ( i U ) dt DP DSP DN DSN 0 0 Tc
Ecap
Pcap(t )dt
第四章 CMOS数字集成电路.
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2019/1/12
集成电路设计原理
电子科学与技术
4.2.1 电阻负载NMOS反相器 Vi 2. 基本特性 VDD
VDD VOL 1+2KI RL(VOHVTI)
VDD RL Vi
0 Vo VDD
t
RL若小：VOL高， 0 Vo 功耗大， tr小; VOH Vo W/L若小(即KI 小)：VOL高，功 耗小,，tf大。 VOL 0
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韩
良
集成电路设计原理
电子科学与技术
4.1.1 单沟传输门 2. PMOS传输门 G为“1”电平时 G PMOS管截止，不传送信号。 O G为“0”电平时 I PMOS开启，传送信号 (1)由I向O传送“1”时(假设O初始为“0”) G I “1” O点电容通过饱和导通的 PMOS管充电，PMOS管逐渐 进入非饱和，充电加快，最 终O点达到与I点相同的“1” 。 9
In1
Vi
InN
NMOS PDN I
Vo
KL[2(VGG-VOH -VTL)(VDD -VOH) - (VDD -VOH) 2 ] = 0 VOH = VDD
M
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集成电路设计原理
电子科学与技术
4.2.3 E/E非饱和负载NMOS反相器 1. 结构和工作原理(续)
VGG VDD
良
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(KI/KL) R增大
Vi
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集成电路设计原理
电子科学与技术
4.2.3 E/E非饱和负载NMOS反相器 2.单元特点 （1）双电源 VGG VDD （2）VOH=VDD VDD 2 ML （3） VOL 2mR(VOHVTI) 有比 （4）上升速度慢（负载管小） Vo （5）噪声容限小 Vi MI （6）静态功耗大 （7）器件少，面积小
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
数字集成电路
CMOS - 数字集成电路(讲义)编著吴金东南大学无锡分校2008.09目录第一章 绪论1.1信号处理的对象方式与特点1.2教学方法与重要知识点1.3课程目标与要求1.4主要参考文献1-5第二章静态组合逻辑电路2.1概述2.2组合逻辑2.3 NMOS反相器2.4 CMOS组合逻辑的实现原理2.4.1 CMOS逻辑原理2.4.2 静态CMOS倒相器2.4.3 CMOS逻辑门2.5 NMOS组合逻辑逻辑2.5.1 NMOS基本逻辑门2.5.2 伪NMOS逻辑2.6传输门开关逻辑2.6.1 CPL逻辑2.6.2、DPL逻辑2.6.3 多路开关MUX逻辑2.7 差分逻辑2.8本章小结2-23第三章动态组合逻辑电路3.1 概述3.2动态逻辑3.3多米诺动态组合逻辑电路3.3.1 同型Domino-CMOS动态逻辑3.3.2 np-CMOS 动态逻辑3.4 钟控逻辑3.5 钟控动态逻辑电路3.4.1 无竞争动态逻辑 NPORA3.4.2 单相位时钟动态逻辑3.4.3 差分动态逻辑3.6本章小结 3-13第四章时序逻辑电路4.1概述4.2锁存器 - Latch4.3触发器 – Flip-Flop4.3.1 边沿型触发器4.3.2主从R-S触发器4.4逻辑电路结构4.4.1 D_Latch电路4.4.2 D_FF电路4.5寄存器 Register4.5.1 双港口寄存器4.5.2 移位寄存器4.6分频器 Frequency Divide4.6.1 基本1/2分频单元4.6.2 规则分频器/计数器4.6.3 奇数分频器4.6.4 任意占空比和任意进制的分频器4.6.5 1:1占空比的奇数分频器(1/N, Odd N)4.7计数器 - Counter4.7.1 N进制异步计数器4.7.2 N进制同步计数器4.8 本章小结4-25第五章数据与控制通道5.1概述5.2 1-bit加法器5.2.1 1bit 半/全加器原理5.2.2 基于传输逻辑的1bit全加器5.3 N-bit加法器5.3.1 进位完成加法器CCA(Carry Completion Adder)5.3.2 条件加法器-Conditional Sum Adder(CSA)5.3.3 进位选择加法器-Carry Select Adder(CSA)5.3.4 超前进位加法器-Carry Lookahead Adder(CLA)5.4编码/解码电路5.4.1 组合逻辑译码电路5.4.2 阵列译码电路5.4.3 可编程译码电路5.5控制电路5.6本章小结5-26第六章存储器6.1概述6.2 SRAM存储器6.2.1 存储单元6.2.2 存储阵列的系统结构6.2.3地址译码器6.2.4灵敏放大器6.3 非挥发存储器6.3.1 ROM6.3.2 EPROM和E2PROM6.4本章小结6-17第七章时钟与时序7.1 概述7.2 正弦波振荡器7.2.1振荡原理7.2.2 RC振荡器7.2.3 石英谐振器7.2.4并联石英晶振电路7.2.5 串联晶振电路7.3 矩形波振荡器7.3.1基于迟滞比较器结构7.3.2基于迟滞触发器结构7.3.3基于CMOS倒相器结构7.3.4晶体多谐振荡器7.3.5环形振荡器7.4 三角波振荡器7.5 Ramp锯齿波振荡器7.6 集成振荡电路7.6.1七级恒流环振7.6.2频率可配置环形振荡电路7.6.3弛豫振荡器7.7 非交叠时钟7.8 时钟相对延迟7.9 流水线7.10 本章小结7-34第八章 比较器与接口电路8.1概述8.2比较器结构与功能类型8.2.1 结构类型8.2.2 功能类型8.2.3 迟滞比较器8.3电压差分比较器8.3.1 多级差分比较器结构8.3.2 多级差分迟滞比较器8.3.3 CMOS施密特触发器8.3.4 电源电压比较器8.3.5动态电压比较器8.3.6 锁存比较器8.4 数字接口电路8.4.1 逻辑电平接口8.4.2功能接口电路8.5 本章小结 8-30。
第1讲CMOS数字电路
3.3V CMOS
VOH(min)=2.4V, VOL(max)
TTL
b) VIH(min)=3.5V, VIL(max)=1.5V,
VOH(min)=4.4V, VOL(max)
5V CMOS
Determine the HIGH-level and LOW-level noise
margins.
第1讲CMOS数字电路
第1讲CMOS数字电路
27
CMOS与门
第1讲CMOS数字电路
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CMOS或非门
CMOS的或门如何得到？
第1讲CMOS数字电路
29
CMOS非反相器
第1讲CMOS数字电路
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CMOS与或非门 （AOI门）
用一级的延迟实现二级逻辑（第与1讲-C或MO，S数字或电-路与），在设计中比较有用。
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其它的门
TTL与非门电路 TTL与或非门电路
TTL或非门电路
TTL异或门电路
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TTL逻辑系列
➢ 74S系列 ➢ 74LS系列 ➢ 74AS系列 ➢ 74ALS系列 ➢ 74F系列
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IC classification
TTL
IC technologies
bipolar
ECL
LTTL STTL LSTTL
➢ P型掺杂 ➢ P：Positive ➢ 加入三价元素杂质，例如硼或者铟 ➢ 增加空穴的数量
➢ N型掺杂 ➢ N：Negative ➢ 加入五价元素杂质，例如磷、砷或锑 ➢ 增加自由电子的数量
第1讲CMOS数字电路
7
P型半导体
多余的空穴 B
掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的
第1讲CMOS数字电路
数字集成电路第一章
微系统（续）
• 狭义：信息系统的芯片集成，即片上系统 （Sytem on a chip，SOC）
– SOC是微电子技术当前最迫切、现实的方向
• IC制造技术已经提供了构成SOC的能力，IC设计技 术相对落后于这一形势成为瓶颈 • 人类社会信息化迫切需求：计算机、通信与网络、 消费信息产品（3G） • IC向IS转变需要概念上的突破
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上海大学《数字集成电路设计》
深亚微米（DSM）挑战
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上海大学《数字集成电路设计》
设计能力的发展趋势
芯片复杂度的增长速度超过了设计能力的增长速度
2013-8-7 上海大学《数字集成电路设计》
第二节 微电子技术发展的两个方向
• 由微电子学向纳电子学转变——纳电子学
– 纳电子学两重意义：（1）在现在电子器件基础上把微电子器件尺 寸推进到纳米范畴：（2）发展新原理的纳米器件。 – 狭义上：纳器件 – 广义上：纳系统
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上海大学《数字集成电路设计》
• （一）深亚微米与超深亚微米设计
– （1）精确的模型 – 1、SPICE模型 器件中原来的二级效应成为一级效应。 一维模型成为二、三维模型。 不同几何尺寸器件的电学特性也不同。
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上海大学《数字集成电路设计》
HSPICE支持的主要模型
其中BSIM短沟绝缘栅场效应晶体管（Berkeley Shortchannel IGFET Model）被工业界广泛采用，成为事实 上的工业标准。 模拟电路特别是射频电路用的精确模型更加复杂。
– 60至70年代：微处理器、存储器、逻辑IC标准化导致 系统公司与IC公司分离 – 80至90年代：ASIC设计技术观念变革导致专职设计的 Fabless-IC公司与专职加工的Foundry-IC公司分离 – 21世纪：随着IC向IS转变，芯片系统（SOC）成为方 向。它强调基于IP核的设计，导致专职IP开发的 Chipless-IC公司的兴起
数字集成电路1PPT课件
非转换电路
转换电路
“1 ” “0 ”
V OH V IH 不确定区域
V IL V OL
V out V OH
V OL
斜率 = -1
V DD
Vin
Vout
斜率 = -1
V IL V IH
V in
噪声容限
"1" V
OH
V OL
"0" 逻辑门输出
NM H NM L
高噪声容限
V IH 不确定区
V IL
低噪声容限
LOG2 OF THE NUMBER OF COMPONENTS PER INTEGRATED FUNCTION
1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975
16 15
• Electronics, April
芯片面积
约为 3
芯片成本 f (芯片面积 )4
可靠性―集成电路中的噪声
i ( t)
电感耦合
v (t)
电容耦合
V DD
电源、地噪声
直流特性：电压传输特性（ VTC ） （Voltage Transfer Characteristic）
理想的数字电路
直流特性：电压传输特性（ VTC ） （Voltage Transfer Characteristic）
• 数字电路与模拟电路相比的优势 • 功能增加灵活 • 规模/速度随工艺按比例下降而优化 • 对工艺/电压/温度不敏感
• 电路设计应考虑： • 可靠性 • 速度 • 功耗 • 面积 • 成本
1.1 绪论