集成电路设计方法学
电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业全
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计 2、威尔逊电流镜 – Wilson Current Mirror
通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。
Iout I DS 2 VGS 2 VGS1 I DS1
参考电流Ir恒定
VDS1 (VGS 3 VGS 2 )
VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout 受Vout影响减弱，输出电阻提高。
图6.7威尔逊电流镜
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
Rout
ro3
ro
2
1
ro3
gm
3
(13 ) gm1
1 gm2 ro2
rds1
gm
3
ro
集成电路原理与设计
第六章 MOS模拟集成电路
§ 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件
§ 6.2 MOS模拟IC子电路 6.2.1 电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源 6.2.4 MOS差分放大器 6.2.5 反相放大器 6.2.6 输出级
VDD
R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度：
VREF
S
VREF
VREF
VREF VDD
1
VDD
VDD VDD
VDD VREF
（a）电阻分压器
（b）有源器件分压器
图6.9 简单分压器
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源
(整理)集成电路原理学习指南-第二版
沟道等效电阻
（1）与W/L反比，
（2）与电压有关，
（3）VDD大的时候较小（饱和工作区）
（4）VDD接近Vt的时候急剧增大
（5）一般使用工作区平均电阻
掌握
3.18
电阻的近似
平均电阻，并估算其误差（保守估计还是过估计）
掌握
3.19
结构电容
栅电容，覆盖电容
掌握
3.20
沟道电容
在不同工作区域的变化和原因，在阈值附近最小
f=Cext/Cint=Cext/γCg，尺寸决定电容，所以也是扇出尺寸，为工艺决定的系数，代表自电容与栅电容的关系
掌握
5.13
反相器链的最优尺寸设计
每一级为前后级的几何平均
扇出系数公式（5.35），公式（5.36）
掌握
5.14
最佳等效扇出
图5.21（pp 152），一般取4
掌握
5.15
上升下降时间对延时的影响
了解
3.26
电容估算
（1）栅电容，扩散电容大致相当（定义单位NMOS和PMOS的栅电容为C）
（2）它们随沟道宽度等比增加（kC）
（3）最小晶体管C值可初略估计为1fF/um宽度（65nm工艺，宽0.1um晶体管的C值约为0.1fF）
[Weste，4.3.2]
掌握
第四章导线
序号
概念
知识点和关键词
掌握程度
掌握
3.13
MOS IV特性
画出IV图，标出工作区，图3.24（pp 74）
掌握并会定性画图
3.14
手工分析的局限
在电阻区和过度区之间的区域偏差较大
了解
3.15
设计测试点验证IV
知道晶体管几个端口的电压，固定哪个，量哪个电流，可以提取以上列出的某个参数。
《集成电路基础学习知识原理与设计》重要资料内容情况总结
集成电路原理与设计重点内容总结第一章绪论摩尔定律：（P4）集成度大约是每18个月翻一番或者集成度每三年4倍的增长规律就是世界上公认的摩尔定律。
集成度提高原因：一是特征尺寸不断缩小，大约每三年缩小一2倍；二是芯片面积不断增大，大约每三年增大1.5倍；三是器件和电路结构的不断改进。
等比例缩小定律：（种类优缺点）（P7-8）1. 恒定电场等比例缩小规律（简称CE定律）a. 器件的所有尺寸都等比例缩小K倍，电源电压也要缩小K倍，衬底掺杂浓度增大K倍,保证器件内部的电场不变。
b. 集成度提高忆倍，速度提高K倍，功耗降低K2倍。
c. 改变电源电压标准，使用不方便。
阈值电压降低，增加了泄漏功耗。
2. 恒定电压等比例缩小规律（简称CV定律）a. 保持电源电压和阈值电压不变，器件的所有几何尺寸都缩小K倍，衬底掺杂浓度增加忆倍。
b. 集成度提高忆倍，速度提高K2倍。
c. 功耗增大K倍。
内部电场强度增大，载流子漂移速度饱和，限制器件驱动电流的增加。
3. 准恒定电场等比例缩小规则（QCE）器件尺寸将缩小K倍，衬底掺杂浓度增加K（1< <K）倍，而电源电压则只变为原来的/K倍。
是CV和CE的折中。
需要高性能取接近于K,需要低功耗取接近于1。
写出电路的网表：A BJT AMPVCC 1 0 6Q1 2 3 0 MQRC 1 2 680RB 2 3 20KRL 5 0 1KC1 4 3 10UC2 2 5 10UVI 4 0 AC 1.MODEL MQ NPN IS=1E-14+BF=80 RB=50 VAF=100.OP.END其中.MODEL为模型语句，用来定义BJT晶体管Q1的类型和参数。
常用器件的端口电极符号器件名称端口付号缩与Q （双极型晶体管） C （集电极），B （基极），E （发射极），S （衬底）M （MO场效应管） D （漏极），G （栅极），S （源极），B （衬底）J （结型场效应管） D （漏极），G （栅极），S （源极）B （砷化镓场效应管） D （漏极），G （栅极），S （源极）电路分析类型.OP直流工作点分析.TRAN瞬态分析• DC直流扫描分析• FOUR傅里叶分析•TF传输函数计算.MC豕特卡罗分析•SENS灵敏度分析•STEP参数扫描分析.AC交流小信号分析•WCASE最坏情况分析• NOISE噪声分析•TEMP温度设置第二章集成电路制作工艺集成电路加工过程中的薄膜：（P15）热氧化膜、电介质层、外延层、多晶硅、金属薄膜。
电子科学与技术研究生课程设置
高分子凝聚态
3
54
第二
材料系
范仲勇
信息功能材料与器件
PHYS6039
等离子体诊断
3
54
第三
光源系
陈育明
物理电子学
三、硕士专业选修课
课程编号
课程名称
学
分
学
时
开课
学期
开课院系
任课教师
适用专业
BIOM7004
现代医学信息处理
3
54
第三
信息学院
汪源源
电路与系统
ELEC6037
气体放电物理II
3
54
第二
信息学院
张卫
微电子学与固体电子学
ELEC6031
现代集成电路分析方法
3
54
第一
信息学院
曾璇
微电子学与固体电子学
ELEC6032
现代电路理论
3
54
第二
信息学院
李锋
电路与系统
ELEC6033
空间遥感信息理论
3
54
第二
信息学院
金亚秋
电磁场与微波技术
ELEC6034
计算电磁学
3
54
第一
信息学院
刘鹏
信息功能材料与器件
ELEC6040
现代光电测试技术
3
54
第一
光源系
刘木清
光电系统与控制技术
ELEC6041
控制理论与技术
3
54
第一
光源系
孙耀杰
光电系统与控制技术
ELEC6048
高功率电子学
3
54
第一
想学集成电路报什么专业
想学集成电路，应该报什么专业在现代科技高速发展的时代，集成电路是不可或缺的重要领域之一。
随着信息技术的飞速发展和智能化应用的广泛推广，集成电路行业对人才的需求日益增加。
因此，如果你对集成电路感兴趣，并且想学习相关知识以在这个领域中有所建树，选择合适的专业是至关重要的。
在报名时，你应该选择与电子工程、半导体等相关专业。
下面是几个适合学习集成电路的专业：1. 电子工程电子工程是与电子设备、电子元器件和电子系统有关的学科，它涵盖了从电子元件设计到电子系统及其应用的方方面面。
在学习电子工程期间，你将会学到电子元器件的基本原理、电路设计、数字电子技术和信号处理等知识，这些都对理解和应用集成电路非常有帮助。
2. 半导体材料与器件半导体材料与器件是研究半导体材料的性质以及其在电子器件中的应用的学科。
学习半导体材料与器件专业可以帮助你深入了解集成电路的基本构成和工作原理。
你将学习到半导体材料的制备和表征方法，了解半导体器件的结构和性能，掌握半导体器件的制造工艺和测试技术等。
3. 微电子学与固体电子学微电子学与固体电子学是研究微电子器件和固态电子学理论的学科。
学习这个专业，你将会学到集成电路的设计、制造和测试技术，了解集成电路在电子系统中的应用和实现。
微电子学与固体电子学专业对于从事集成电路设计和制造的领域非常重要。
4. 集成电路设计集成电路设计是研究集成电路各个元件的布局、连线和功能的学科。
学习集成电路设计，你将会学到从单个电子元件的设计到整个集成电路的设计和验证的知识。
通过学习集成电路设计，你可以掌握先进的电子设计自动化工具和方法，实现复杂的集成电路设计。
5. 电子信息工程电子信息工程是研究电子技术和信息技术相结合的学科。
学习这个专业，你将会学到模拟电子技术、数字电子技术、通信技术以及集成电路设计等方面的知识。
电子信息工程专业为你提供了一个全面的电子技术和信息技术的学习平台，对于从事集成电路相关领域的工作非常有帮助。
集成电路设计学习思考题参考答案
集成电路设计学习思考题参考答案集成电路设计学习思考题参考答案参考答案⼀、概念题：1、微电⼦学：主要是研究电⼦或离⼦在固体材料中的运动规律及应⽤，并利⽤它实现信号处理功能的科学，是电⼦学的分⽀，其⽬的是实现电路和系统的集成，这种集成的电路和系统⼜称为集成电路和集成系统。
2、集成电路：（Integrated Circuit，缩写为IC）是指通过⼀系列特定的加⼯⼯艺，将多个晶体管、⼆极管等有源器件和电阻、电容器等⽆源器件，按照⼀定的电路连接集成在⼀块半导体单晶⽚（如硅或GaAs等）或者说陶瓷等基⽚上，作为⼀个不可分割的整体执⾏某⼀特定功能的电路组件。
3、综合：从设计的⾼层次向低层次转换的过程，它是在给定了电路应实现的功能和实现此电路的约速条件（如速度、功耗、成本、电路类型等），找到满⾜上述要求的⽬标结构的过程。
如果是靠⼈⼯完成，通常简单地称之为设计；⽽依靠EDA ⼯具⾃动⽣成，则称之为综合。
4、模拟验证：指对实际系统加以抽象，提取其模型，输⼊计算机，然后将外部激励信号施加于此模型，通过观察模型在激励信号作⽤下的反应，判断该系统是否实现预期的功能。
5、计算机辅助测试（CAT）技术：把测试向量作为测试输⼊激励，利⽤故障模拟器，计算测试向量的故障覆盖率，并根据获得的故障辞典进⾏故障定位的技术。
6、图形转换技术：是指将掩膜板上设计好的图形转移到硅⽚上的技术，包括光刻与刻蚀技术。
7、薄膜制备技术：指通过⼀定的⼯序，在衬底表⾯⽣产成⼀层薄膜的技术，此薄膜可以是作为后序加⼯的选择性的保护膜，作为电绝缘的绝缘膜，器件制作区的外延层，起电⽓连接作⽤的⾦属膜等。
8、掺杂：是指将需要的杂质掺⼊特定的半导体区域中以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触等各种结构的⽬的。
9、系统功能设计：是最⾼⼀级的设计，主要是指根据所设计系统的要求（包括芯⽚的功能、性能、尺⼨、功耗等），进⾏功能划分和数据流、控制流的设计，完成功能设计。
集成电路课件
设计方法学
集成电路设计的方法学主要包括基于硬件描述语言的设计方法、基于高层次综 合的设计方法等。同时，随着技术的发展，人工智能和机器学习等方法也逐渐 被应用于集成电路设计中。
理和传输。
在计算机领域，集成电路被用于CPU 、GPU、内存等计算机核心部件的设 计和制造。
在消费电子领域，集成电路被用于手 机、电视、数码相机等电子产品的设 计和制造。
在汽车电子领域，集成电路被用于发 动机控制、车身控制、自动驾驶等系 统的设计和制造。
在航空航天领域，集成电路被用于航 空航天设备的导航、控制、通信等系 统的设计和制造。
全球集成电路产业现状及特点
01
02
03
产业规模不断扩大
全球集成电路市场规模持 续增长，从2016年的 1690亿美元增长到2020 年的1960亿美元。
高技术含量
集成电路是信息技术产业 的核心，具有高技术含量 ，涉及微电子、计算机、 通信等多个领域。
全球化特征明显
全球集成电路产业分布广 泛，美国、欧洲、日本等 国家和地区都有强大的产 业集群。
总结词
高可靠性、低能耗、快速响应的 功率器件芯片。
详细描述
该案例探讨了某型功率器件芯片 的技术创新与产业升级，涉及先 进的材料技术、精细加工技术、 可靠性验证技术等，强调了集成 电路在节能减排、绿色环保等领 域的重要作用。
相关知识点
功率器件芯片的特点与用途，集 成电路在节能减排、绿色环保等 领域的应用价值。
集成电路的基本组成
集成电路主要由输入输出端口、逻辑功能模块、存储器、 时钟等组成，不同功能的芯片可能还包括其他特殊模块。
数字集成电路可测性设计及验证方法学
数字集成电路可测性设计及验证方法学
1.测试点的选择：在电路设计中，需要合理地选择测试点，即在电路中插入一些测试点，使得电路在测试过程中能够容易地被触发和测试。
测试点的选择应考虑到电路的结构特点和功能，以及故障模型等因素。
2.异常检测和故障模型：为了提高电路的可测性，需要定义电路的异常状态和故障模型，即电路可能出现的错误状态和故障类型，以便在测试过程中能够准确地检测和识别这些异常和故障。
3.自测试技术：自测试技术是一种通过电路自身来进行测试的方法，即在电路中嵌入一些特殊的测试电路，使得电路在自动运行时能够自行进行测试和检测。
自测试技术能够提高测试的效率和可靠性。
4.规范测试方法：规范测试方法是一种通过应用特定的测试模式和测试向量来进行测试的方法，即通过输入一系列的测试数据来触发电路的不同功能和路径，以检测和验证电路的正确功能和可靠性。
5.模拟仿真和硬件验证：模拟仿真是一种通过运行仿真软件来模拟电路的工作过程和性能的方法，以验证电路的功能和性能。
硬件验证则是通过制造一些原型电路并进行实际的测试和验证来验证电路的可靠性和正确性。
通过以上的设计和验证方法学，可以有效地提高数字集成电路的可测性和可靠性，从而确保电路的正确性和功能性。
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门阵列法
门阵列单元区结构
共栅四管单元电路及其版图
不共栅四管单元电路及其版图
门阵列法
门阵列缺点是：
由于门阵列具有高度规则结构，设计的灵活性较低，门 的利用率也较低。
由于布线通道的限制，并不能保证100%的布通率，这 时需要花费大量的时间进行人工干预。
定制法
用于芯片性能指标比较高而生产批量又比较 大的产品设计。 通常分为两种：标准单元法和通用单元法。
标准单元设计法
标准单元 标准单元是由IC制造商利用全定制的方法精心设计 并模拟验证通过后的规范化的单元，并将其存入数 据库构成标准单元库。
标准单元设计法是利用标准单元库，按照用户具体 电路的要求把所需单元从单元库中调出，排成若干 行，行间留有布线通道。根据电路要求将各单元用 连线联接起来，同时把相应的输入、输出单元和压 焊块联接起来，得到所要求的芯片版图。
相对于全定制方法，门阵列的面积较大，速率较低，功 耗较大。
由于单元之间存在很宽的布线通道，因而无法实现像 ROM、RAM等这类规则结构的电路。
门阵列适用于设计要求成本低、设计周期短而生产 批量又比较小的芯片设计。
门海阵列
门海阵列是为了克服门阵列 芯片利用率较低的缺点而提 出的一种结构。该结构去掉 了门阵列中的布线通道，用 基本单元占据整个阵列分布 区。宏单元之间的连线将在 无用的有效器件区上进行。
通常ASIC设计很少采用这种全定制方法。
半定制法
半定制设计方法是一种母片半定制技术。即预先完 成除接触孔和连线以外的所有芯片加工步骤，根据 不同的应用，设计者只需设计和制作接触孔和连线， 以完成特定的电路要求。
这样就使设计到芯片制作完成的整个周期大大缩短， 设计和制造成本大大下降。但门阵列的门利用率较 低，芯片面积比定制设计和全定制设计的芯片要大。
专用集成电路概念及分类
全定制 定制
半定制
标准单元 通用单元
门阵列
积木式
混合式 有通道
门海
可编程逻辑器件
PLA、PAL、GAL
逻辑单元阵列
FPGA
ASIC的设计方法分类
全定制法（full-custom design approach） 全定制版图设计的特点是针对每个晶体管进行电路参
数和版图参数的优化，这样可以得到最佳的性能，即密 度最高、速度最快、功耗最小。
标准单元库
标准单元库的组成：逻辑符号库、功能参数 库、版图描述库、实体版图库和工艺文件。
DRC、ERC、LPE和LvS文件
不同的设计模式的芯片面积、性能和掩膜制作方式
芯片面积 芯片性能 制作掩膜
全定制 小 高
全部
设计模式
标准单元
门阵列
较小
中等
较高
中等
全部
金属连线及孔
FPGA 大 低
不需要
逻辑综合
标准单元设计法与全定制方法的结合
与全定制的设计方法相 结合，将一些全定制设 计方法设计的版图调用 到相应的位置，然后在 其他部分用标准单元法 设计，这样扩大了标准 单元法的应用范围，成 为目前国际最为流行的 VLSI设计方法。
标准单元设计法的优点
由于单元库中各个单元的高度相等，宽度不 限，单元中的电源、地线及输入输出端口位 置都有特殊的规定，使得单元与单元连接时 变得简单、有条理，布局也有规律，为以后 的高层次的系统设计带来了很大的方便，使 得本来很复杂、工作量很大的系统设计变得 相对简单、容易，并且带有很强的规律性。
标准单元设计法
标准单元法设计的芯片主要分为3个区域：①四 周的I/O单元和压焊块；②单元部分；③布线通 道。
标准单元设计法
标准单元的特点是各个单元高度相同，宽度 不等。所有的单元电源线和地线位置相同, 从单元的左右边进出
标准单元布局
一般标准单元在版图上排列有两种形式，一种是单一单元排成行， 如图（a）。另一种为双单元背靠背排列成行如图（b）。
逻辑综合
RTL级描述，是一种明确规定寄存器描述的 方法。即是指以规定设计中采用的各种寄存 器形式为特征，然后在寄存器之间插入组合 逻辑。
逻辑综合中的约束条件
在逻辑综合过程中为优化输出和工艺映射的需要，一定 要有相应的约束条件，以实现对所设计结构的控制。采 用不同的约束条件对于同样的一个系统，其实现的系统 结构是不一样的。
属性用于规定设计所进行的环境，如用属性 规定对输出器件必须驱动的负载、驱动设计 时器件的驱动能力等。
缺点是设计周期长，设计成本高，工作效率很低，已 不适应复杂电路的版图设计。
全定制法
对于具有重复性结构的网络，如ROM、RAM、RISC、 阵列机等，全定制法不仅很有效，而且非常必要。对这 些网络中的单元进行精心的人工设计，然后利用人机交 互图形系统所具有的重复或形成矩阵的功能得到整个网 络的结构，其效率仍然很高。
半定在芯片上已生成了由基本门或单元组 成的阵列，完成了连线以外的所有芯片加工工序。 因此，同全定制、定制相比具有以下几点优势：
从设计到芯片的制作完成整个周期大大缩短，设计成本 大大下降
易于采用先进的工艺。门阵列库中只有与非门、或非门 这样的基本单元，它比标准单元库简单得多
在单层布线时需要一种特殊的连线单元，如图（c）,其高度与其它 的标准单元相同，起到连线作用。
标准单元布局、布线
设计人员只要输入电路的逻辑图或输入一种 电路描述文件，再输入压焊块的排列顺序； 标准单元法设计系统将调用所需的单元和相 应的I/O单元及压焊块，进行自动布局和自 动布线。
在布局和布线过程中，布线通道的高度由设 计系统根据需要加以调整。