数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)复习资料

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数字电路与逻辑设计(第二版)章图文 (2)

数字电路与逻辑设计(第二版)章图文 (2)

第2章 组合逻辑电路
74AC和74ACT:先进CMOS(Advanced CMOS)。 74AHC和74AHCT:先进高速CMOS(Advanced High speed
CMOS)。 74系列3.3VCMOS门电路的基本子系列如下: 74LVC:低压CMOS(Low voltage CMOS)。 74ALVC:先进低压CMOS(Advanced Low voltage CMOS)。
第2章 组合逻辑电路
【例2.2】 画出图2―9(a)所示逻辑电路的输出波形。 电路的输入波形如图2―9(b)所示。
解:逐个画出各个门电路输出的波形,最后画出逻辑 电路的输出波形,如图2―9(c)所示。
第2章 组合逻辑电路
图2―9 例2.2的波形图
第2章 组合逻辑电路
【例2.3】 画出图2―10(a)所示逻辑电路的输出波 形。电路的输入波形如图2―10(b)所示。
第2章 组合逻辑电路
驱动门 负载门
UOH(min)>UIH(min)
UOL(max)<UIL(max)
IOH > IIH
IOL
> IIL
第2章 组合逻辑电路
如果不满足上面条件,必须增加接口电路。常用的 方法有增加上拉电阻、采用专用接口电路、驱动门并 接等。例如,若不满足UOH(驱动门)>UIH(负载门),则可在 驱动门的输出端接上上拉电阻,如图2―5所示。

(最新整理)EDA技术及应用(第2版)朱正伟复习资料

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EDA技术及应用(第2版)朱正伟复习资料

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第一章

1、EDA的定义:以计算机为工作平台,以EDA软件工具为开发环境,以硬件描述语言为设计语言,以ASIC为实现载体的电子产品自动化设计过程。

2、EDA的三大特征:硬件描述语言、系统级仿真、综合技术

3、EDA的设计方法:自上而下

4、EDA的核心:利用计算机完成电路设计的全程自动化

5、常用的EDA工具及其作用:

设计编辑器:一般支持图形输入,HDL文本输入,波形图输入等

仿真器:完成行为模型的表达、电子系统的建模、逻辑电路的验证以及门级系统的测试

HDL综合器:将软件描述与给定的硬件结构用某种网表文件的方式对应起来,成为相互的映射关系。

适配器:将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中,使之产生最终的下载文件,

下载器:在功能仿真与时序仿真正确的前提下,将设计下载到对应的实际器件中,实现硬件设计

6、EDA的设计流程:设计输入(将设计的系统或电路按照EDA开发软件要求的文本方式或图形方式表示出来,并送入计算机的过程。)

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题第六.

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题第六.

数字集成电路--电路、系统与设计(第⼆版)课后练习题第六.

Digital Integrated Circuits - 2nd Ed 11 DESIGN PROJECT Design, lay out, and simulate a CMOS four-input XOR gate in the standard 0.25 micron CMOS process. You can choose any logic circuit style, and you are free to choose how many stages of logic to use: you could use one large logic gate or a combination of smaller logic gates. The supply voltage is set at 2.5 V! Your circuit must drive an external 20 fF load in addition to whatever internal parasitics are present in your circuit. The primary design objective is to minimize the propagation delay of the worst-case transition for your circuit. The secondary objective is to minimize the area of the layout. At the very worst, your design must have a propagation delay of no more than 0.5 ns and occupy an area of no more than 500 square microns, but the faster and smaller your circuit, the better. Be aware that, when using dynamic logic, the precharge time should be made part of the delay. The design will be graded on the

【精品】数字集成电路电路、系统与设计第二版课后练习题第六章CMOS组合逻辑门的设计

【精品】数字集成电路电路、系统与设计第二版课后练习题第六章CMOS组合逻辑门的设计

【精品】数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题第六章

CMOS组合逻辑门的设计

第六章 CMOS组合逻辑门的设计

1.为什么CMOS电路逻辑门的输入端和输出端都要连接到电源电压?

CMOS电路采用了MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)作为开关元件,其中N沟道MOSFET(NMOS)和P沟道MOSFET(PMOS)分别用于实现逻辑门的输入和输出。NMOS和PMOS都需要连接到电源电压,以使其能够正常工作。输入端连接到电源电压可以确保信号在逻辑门中正常传递,输出端连接到电源电压可以确保输出信号的正确性和稳定性。

2.为什么在CMOS逻辑门中要使用两个互补的MOSFET?

CMOS逻辑门中使用两个互补的MOSFET是为了实现高度抗干扰的逻辑功能。其中,NMOS和PMOS分别用于实现逻辑门的输入和输出。NMOS和PMOS的工作原理互补,即当NMOS导通时,PMOS截止,当PMOS导通时,NMOS截止。这样的设计可以在逻辑门的输出上提供高电平和低电平的稳定性,从而提高逻辑门的抗干扰能力。

3.CMOS逻辑门的输入电压范围是多少?

CMOS逻辑门的输入电压范围通常是在0V至电源电压之间,即在低电平和高电平之间。在CMOS逻辑门中,低电平通常定义为输入电压小于0.3Vdd(电源电压的30%),而高电平通常定义为输入电压大于0.7Vdd(电源电压的70%)。

4.如何设计一个基本的CMOS逻辑门?

一个基本的CMOS逻辑门可以由一个NMOS和一个PMOS组成。其中,NMOS的源极连接到地,栅极连接到逻辑门的输入,漏极连接到PMOS的漏极;PMOS的源极连

数字集成电路-电路系统与设计第二版课程设计

数字集成电路-电路系统与设计第二版课程设计

数字集成电路-电路系统与设计第二版课程设计

一、课程设计介绍

数字集成电路是现代电路设计中的重要组成部分,也是计算机科学与工程的重要分支。本课程设计旨在通过对数字集成电路的系统与设计进行探究,并结合具体的案例来设计和实现数字集成电路,使学生能够熟悉数字集成电路的基本原理、设计方法和实现技术。

本课程设计主要包含以下内容:

1.数值系统和编码

2.逻辑功能设计:组合逻辑电路和时序逻辑电路

3.集成电路设计方法和流程

4.VHDL和FPGA实现数字逻辑电路

5.数字信号处理器

通过本次课程设计,学生将掌握数字集成电路的系统性设计思路和实现方法,具备数字电路设计的基本能力和实际操作技术,能够针对具体应用场景提出解决方案,实现数字电路的设计、验证和调试。

二、课程设计要求

1. 课程设计题目

本次课程设计的题目为“4位计数器设计”。

2. 软件工具

VHDL编程软件和EDA工具

1

数字集成电路复习必备知识点总结

数字集成电路复习必备知识点总结

1. 集成电路是指通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管、MOS管等有源器件和阻、电容、电感等无源器件,按一定电路互连,“集成”在一块半导体晶片(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的一种器件。

2.集成电路的规模大小是以它所包含的晶体管数目或等效的逻辑门数目来衡量。等效逻辑门通常是指两输入与非门,对于CMOS集成电路来说,一个两输入与非门由四个晶体管组成,

因此一个CMOS电路的晶体管数除以四,就可以得到该电路的等效逻辑门的数目,以此确

定一个集成电路的集成度。

3.摩尔定律”其主要内容如下:

集成电路的集成度每18个月翻一番/每三年翻两番。

摩尔分析了集成电路迅速发展的原因,

他指出集成度的提高主要是三方面的贡献:

(1)特征尺寸不断缩小,大约每3年缩小 1.41倍;

(2)芯片面积不断增大,大约每3年增大 1.5倍;

(3)器件和电路结构的改进。

4.反标注是指将版图参数提取得到的分布电阻和分布电容迭加到相对应节点的参数上去,实际上是修改了对应节点的参数值。

5.CMOS反相器的直流噪声容限:为了反映逻辑电路的抗干扰能力,引入了直流噪声容限作

为电路性能参数。直流噪声容限反映了电流能承受的实际输入电平与理想逻辑电平的偏离范

围。

6. 根据实际工作确定所允许的最低输出高电平,它所对应的输入电平定义

为关门电平;给定允许的最高输出低电平,它所对应的输入电平为

开门电平

7. 单位增益点.

在增益为0和增益很大的输入电平的区域之间必然存在单位增益点,即dVout/dVin=1的点

8. “闩锁”现象

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题 第五章 CMOS反相器

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题 第五章 CMOS反相器

C H A P T E R

5

T H E C M O S I N V E R T E R Quantification of integrity,performance,and energy metrics of an inverter

Optimization of an inverter design

5.1Exercises and Design Problems

5.2The Static CMOS Inverter—An Intuitive

Perspective

5.3Evaluating the Robustness of the CMOS

Inverter:The Static Behavior

5.3.1Switching Threshold

5.3.2Noise Margins

5.3.3Robustness Revisited

5.4Performance of CMOS Inverter:The Dynamic

Behavior

5.4.1Computing the Capacitances

5.4.2Propagation Delay:First-Order

Analysis

5.4.3Propagation Delay from a Design

Perspective

5.5Power,Energy,and Energy-Delay

5.5.1Dynamic Power Consumption

5.5.2Static Consumption

5.5.3Putting It All Together

《verilog_数字系统设计课程》(第二版)思考题答案

《verilog_数字系统设计课程》(第二版)思考题答案

《verilog_数字系统设计课程》(第⼆版)思考题答案

绪论

1.什么是信号处理电路?它通常由哪两⼤部分组成?

信号处理电路是进⾏⼀些复杂的数字运算和数据处理,并且⼜有实时响应要求的电路。它通常有⾼速数据通道接⼝和⾼速算法电路两⼤部分组成。

2.为什么要设计专⽤的信号处理电路?

因为有的数字信号处理对时间的要求⾮常苛刻,以⾄于⽤⾼速的通⽤处理器也⽆法在规定的时间内完成必要的运算。通⽤微处理器芯⽚是为⼀般⽬的⽽设计的,运算的步骤必须通过程序编译后⽣成的机器码指令加载到存储器中,然后在微处理器芯⽚控制下,按时钟的节拍,逐条取出指令分析指令和执⾏指令,直到程序的结束。微处理器芯⽚中的内部总线和运算部件也是为通⽤⽬的⽽设计,即使是专为信号处理⽽设计的通⽤微处理器,因为它的通⽤性也不可能为某⼀特殊的算法来设计⼀系列的专⽤的运算电路⽽且其内部总线的宽度也不能随便的改变,只有通过改变程序,才能实现这个特殊的算法,因⽽其算法速度也受到限制所以要设计专⽤的信号处理电路。

3.什么是实时处理系统?

实时处理系统是具有实时响应的处理系统。

4.为什么要⽤硬件描述语⾔来设计复杂的算法逻辑电路?

因为现代复杂数字逻辑系统的设计都是借助于EDA⼯具完成的,⽆论电路系统的仿真和综合都需要掌握硬件描述语⾔。

5.能不能完全⽤C语⾔来代替硬件描述语⾔进⾏算法逻辑电路的设计?

不能,因为基础算法的描述和验证通常⽤C语⾔来做。如果要设计⼀个专⽤的电路来进⾏这种对速度有要求的实时数据处理,除了以上C语⾔外,还须编写硬件描述语⾔程序进⾏仿真以便从电路结构上保证算法能在规定的时间内完成,并能通过与前端和后端的设备接⼝正确⽆误地交换数据。

数字集成电路-电路、系统与设计chapter2

数字集成电路-电路、系统与设计chapter2

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Circuits2nd
Manufacturing
27
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Circuits2nd
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CMOS Process Walk-Through
p-epi + p SiN 34 p-epi + p SiO 2 (b) After deposition of gate-oxide and sacrificial nitride (acts as a buffer layer)
Circuits2nd
Manufacturing
10
CMOS Process Walk-Through

数字电路第二版张俊涛第六章习题答案

数字电路第二版张俊涛第六章习题答案

数字电路第二版张俊涛第六章习题答案

一、选择题

1、脉冲整形电路有。

A、多谐振荡器

B、单稳态触发器

C、施密特触发器

D、555定时器

2、多谐振荡器可产生。

A、正弦波

B、矩形脉冲

C、三角波

D、锯齿波

3、石英晶体多谐振荡器的突出优点是。

A、速度高

B、电路简单

C、振荡频率稳定

D、输出波形边沿陡峭

4、TTL单定时器型号的最后几位数字为。

A、555

B、556

C、7555

D、7556

5、555定时器可以组成。

A、多谐振荡器

B、单稳态触发器

C、施密特触发器

D、JK触发器

6、用555定时器组成施密特触发器,当输入控制端CO外接10V电压时,回差电压为。

A、3、33V

B、5V

C、6、66V

D、10V

7、以下各电路中,可以产生脉冲定时。

A、多谐振荡器

B、单稳态触发器

C、施密特触发器

D、石英晶体多谐振荡器

二、判断题(正确打√,错误的打×)

1、施密特触发器可用于将三角波变换成正弦波。()

2、施密特触发器有两个稳态。()

3、多谐振荡器的输出信号的周期与阻容元件的参数成正比。()

4、石英晶体多谐振荡器的振荡频率与电路中的R、C成正比。()

5、单稳态触发器的暂稳态时间与输入触发脉冲宽度成正比。()

6、单稳态触发器的暂稳态维持时间用tW表示,与电路中RC成正比。()

7、采用不可重触发单稳态触发器时,若在触发器进入暂稳态期间再次受到触发,输出脉宽可在此前暂稳态时间的基础上再展宽tW。()

8、施密特触发器的正向阈值电压一定大于负向阈值电压。()

三、填空题

1、555定时器的最后数码为555的是产品,_________为7555的是产品。

(完整版)集成电路设计复习题及解答

(完整版)集成电路设计复习题及解答

集成电路设计复习题

绪论

1.画出集成电路设计与制造的主要流程框架。

2.集成电路分类情况如何?

集成电路设计

1.层次化、结构化设计概念,集成电路设计域和设计层次

2.什么是集成电路设计?集成电路设计流程。

(三个设计步骤:系统功能设计逻辑和电路设计版图设计)

3.模拟电路和数字电路设计各自的特点和流程

4.版图验证和检查包括哪些内容?如何实现?

5.版图设计规则的概念,主要内容以及表示方法。为什么需要指定版图设计规则?6.集成电路设计方法分类?(全定制、半定制、PLD)

7.标准单元/门阵列的概念,优点/缺点,设计流程

8.PLD设计方法的特点,FPGA/CPLD的概念

9.试述门阵列和标准单元设计方法的概念和它们之间的异同点。

10.标准单元库中的单元的主要描述形式有哪些?分别在IC设计的什么阶段应用?11.集成电路的可测性设计是指什么?

Soc设计复习题

1.什么是SoC?

2.SoC设计的发展趋势及面临的挑战?

3.SoC设计的特点?

4.SoC设计与传统的ASIC设计最大的不同是什么?

5.什么是软硬件协同设计?

6.常用的可测性设计方法有哪些?

7. IP的基本概念和IP分类

8.什么是可综合RTL代码?

9.么是同步电路,什么是异步电路,各有什么特点?

10.逻辑综合的概念。

11.什么是触发器的建立时间(Setup Time),试画图进行说明。

12.什么是触发器的保持时间(Hold Time),试画图进行说明。

13. 什么是验证,什么是测试,两者有何区别?

14.试画图简要说明扫描测试原理。

绪论

1、 画出集成电路设计与制造的主要流程框架。

数字集成电路:电路系统与设计(第二版)

数字集成电路:电路系统与设计(第二版)

数字集成电路:电路系统与设计(第二版)

简介

《数字集成电路:电路系统与设计(第二版)》是一本介绍数字集成电路的基本原理和设计方法的教材。本书的内容覆盖了数字电路的基础知识、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器和程序控制电路等方面。通过学习本书,读者可以了解数字集成电路的概念、设计方法和实际应用。

目录

1.数字电路基础知识 1.1 数字电路的基本概念 1.2 二

进制系统与数制转换 1.3 逻辑运算与布尔代数

2.逻辑门电路 2.1 与门、或门、非门 2.2 与非门、或

非门、异或门 2.3 多输入门电路的设计方法

3.组合逻辑电路 3.1 组合逻辑电路的基本原理 3.2 组

合逻辑电路的设计方法 3.3 编码器和译码器

4.时序逻辑电路 4.1 时序逻辑电路的基本原理 4.2 同

步时序电路的设计方法 4.3 异步时序电路的设计方法

5.存储器电路 5.1 存储器的基本概念 5.2 可读写存储

器的设计方法 5.3 只读存储器的设计方法

6.程序控制电路 6.1 程序控制电路的基本概念 6.2 程

序控制电路的设计方法 6.3 微程序控制器的设计方法

内容概述

1. 数字电路基础知识

本章主要介绍数字电路的基本概念,包括数字电路与模拟

电路的区别、数字信号的表示方法以及数制转换等内容。此外,还介绍了数字电路中常用的逻辑运算和布尔代数的基本原理。

2. 逻辑门电路

逻辑门电路是数字电路中的基本组成单元,本章主要介绍

了与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门等逻辑门的基本原理和组成。此外,还介绍了多输入门电路的设计方法,以及逻辑门电路在数字电路设计中的应用。

Verilog HDL数字集成电路设计原理与应用(第二版) 第1章

Verilog HDL数字集成电路设计原理与应用(第二版) 第1章

图1.1-1 数字集成电路复杂度趋势
集成电路工艺制造水平的提高和芯片规模的扩大,使 芯片的设计方法和设计技术发生了很大的变化,如图1.1-2 所示。早期的数字系统大多采用搭积木式的原理图设计方 法,通过一些固定功能的器件加上一定的外围电路构成模 块,再由这些模块进一步形成功能电路。这种设计方式的 灵活性差,只适合于中小规模的集成电路,当电路和模块 的规模增大时,设计效率会降低。
再次,随着电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)工具软件的发展,采用了元件库、工艺模拟参数及 其仿真概念等方法,芯片设计开始进入以计算机为主的抽 象化软件阶段,使设计过程可以独立于生产工艺而存在。 无生产线的IC设计公司(Fabless)和设计部门纷纷建立起来 并得到迅速的发展,同时以制造为主的Foundry工厂也迅 速发展起来。1987年,全球第一个Foundry工厂—台湾积 体电路公司成立,它的创始人张忠谋被誉为“芯片加工之 父”。
Leabharlann Baidu
其次,应用需求使得存储器在USLI芯片中的作用越来越明 显,高密度存储器及其SoC设计成为设计的热点;再次, 单芯片规模的扩大使得单纯依靠提升频率的发展路线出现 技术瓶颈,大规模多内核处理器结构成为通用型芯片和 SoC芯片的主流设计方式。在设计方法方面,采用功能复 用IP(Intelligent Property)的设计方式成为IC设计和商业化的 一种主要方式,极大提高了ULSI芯片的设计效率和可扩展 性。

数字集成电路考试重点

数字集成电路考试重点

集成电路设计考点

1.填空题

1.NM L和NM H的概念,热电势,D触发器,D锁存器,施密特触发器。

低电平噪声容限:VIL-VOL

高电平噪声容限:VOH-VIH

这一容限值应该大于零

热电势:两种不同的金属相互接触时,其接触端与非接触端的温度若不相等,则在两种金属之间产生电位差称为热电势。

2.MOS晶体管动态响应与什么有关?(本征电容P77)

MOS晶体管的动态响应值取决于它充放电这个期间的本征寄生电容和由互连线及负载引起的额外电容所需要的时间。

本征电容的来源:基本的MOS结构、沟道电荷以及漏和源反向偏置PN结的耗尽区。

3.设计技术(其他考点与这种知识点类似)P147

怎样减小一个门的传播延时:

减小CL:负载电容主要由以下三个主要部分组成:门本身的内部扩散电容、互连线电容和扇出电容。

增加晶体管的宽长比

提高VDD

4.有比逻辑和无比逻辑。

有比逻辑:有比逻辑试图减少实现有一个给定逻辑功能所需要的晶体管数目,但它经常以降低稳定性和付出额外功耗为代价。

这样的门不是采用有源的下拉和上拉网络的组合,而是由一个实现逻辑功能的NMOS 下拉网络和一个简单的负载器件组成。

无比逻辑:逻辑电平与器件的相对尺寸无关的门叫做无比逻辑。

有比逻辑:逻辑电平是由组成逻辑的晶体管的相对尺寸决定的。

5.时序电路的特点:记忆功能的原理:

(a)基本反馈;(b)电容存储电荷。

6.信号完整性。(电荷分享,泄露)

信号完整性问题:

电荷泄露

电荷分享

电容耦合

时钟馈通

7.存储器与存储的分类

按存储方式分

随机存储器:任何存储单元的内容都能被随机存取,且存取时间和存储单元的物理位置无关。

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)复习资料

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)复习资料

第一章 数字集成电路介绍

第一个晶体管,Bell 实验室,1947

第一个集成电路,Jack Kilby ,德州仪器,1958 摩尔定律:1965年,Gordon Moore 预言单个芯片上晶体管的数目每18到24个月翻一番。(随时间呈指数增长)

抽象层次:器件、电路、门、功能模块和系统 抽象即在每一个设计层次上,一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑匣子或模型来代替。这一模型含有用来在下一层次上处理这一模块所需要的所有信息。

固定成本(非重复性费用)与销售量无关;设计所花费的时间和人工;受设计复杂性、设计技术难度以及设计人员产出率的影响;对于小批量产品,起主导作用。

可变成本 (重复性费用)与产品的产量成正比;直接用于制造产品的费用;包括产品所用部件的成本、组装费用以及测试费用。每个集成电路的成本=每个集成电路的可变成本+固定成本/产量。可变成本=(芯片成本+芯片测试成本+封装成本)/最终测试的成品率。

一个门对噪声的灵敏度是由噪声容限NM L (低电平噪声容限)和NM H (高电平噪声容限)来度量的。为使一个数字电路能工作,噪声容限应当大于零,并且越大越好。NM H = V OH - V IH NM L = V IL - V OL 再生性保证一个受干扰的信号在通过若干逻辑级后逐渐收敛回到额定电平中的一个。

一个门的VTC 应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区(即不确定区),该过渡区以两个有效的区域为界,合法区域的增益应当小于1。

理想数字门 特性:在过渡区有无限大的增益;门的阈值位于逻辑摆幅的中点;高电平和低电平噪声容限均等于这一摆幅的一半;输入和输出阻抗分别为无穷大和零。

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题 第六章 CMOS组合逻辑门的设计-Chapter 6 Designing

数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)课后练习题  第六章 CMOS组合逻辑门的设计-Chapter 6 Designing

4
Chapter 6 Problem Set
VDD F G
A B
A
A B
A
Figure 6.6 Two-input complex logic gate.
11.
Design and simulate a circuit that generates an optimal differential signal as shown in Figure 6.7. Make sure the rise and fall times are equal.
VDD (W/L) = 0.6 F A B C D (W/L) = 1.5 Figure 6.5 Pseudo-NMOS gate.
9. 10.
[M, None, 4.2] Implement F = ABC + ACD (and F) in DCVSL. Assume A, B, C, D, and their complements are available as inputs. Use the minimum number of transistors. [E, Layout, 4.2] A complex logic gate is shown in Figure 6.6. a. Write the Boolean equations for outputs F and G. What function does this circuit implement? b. What logic family does this circuit belong to? c. Assuming W/L = 0.5u/0.25u for all nmos transistors and W/L = 2u/0.25u for the pmos transistors, produce a layout of the gate using Magic. Your layout should conform to the following datapath style: (1) Inputs should enter the layout from the left in polysilicon; (2) The outputs should exit the layout at the right in polysilicon (since the outputs would probably be driving transistor gate inputs of the next cell to the right); (3) Power and ground lines should run vertically in metal 1. d. Extract and netlist the layout. Load both outputs (F,G) with a 30fF capacitance and simulate the circuit. Does the gate function properly? If not, explain why and resize the transistors so that it does. Change the sizes (and areas and perimeters) in the HSPICE netlist.
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第一章 数字集成电路介绍

第一个晶体管,Bell 实验室,1947

第一个集成电路,Jack Kilby ,德州仪器,1958 摩尔定律:1965年,Gordon Moore 预言单个芯片上晶体管的数目每18到24个月翻一番。(随时间呈指数增长)

抽象层次:器件、电路、门、功能模块和系统 抽象即在每一个设计层次上,一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑匣子或模型来代替。这一模型含有用来在下一层次上处理这一模块所需要的所有信息。

固定成本(非重复性费用)与销售量无关;设计所花费的时间和人工;受设计复杂性、设计技术难度以及设计人员产出率的影响;对于小批量产品,起主导作用。

可变成本 (重复性费用)与产品的产量成正比;直接用于制造产品的费用;包括产品所用部件的成本、组装费用以及测试费用。每个集成电路的成本=每个集成电路的可变成本+固定成本/产量。可变成本=(芯片成本+芯片测试成本+封装成本)/最终测试的成品率。

一个门对噪声的灵敏度是由噪声容限NM L (低电平噪声容限)和NM H (高电平噪声容限)来度量的。为使一个数字电路能工作,噪声容限应当大于零,并且越大越好。NM H = V OH - V IH NM L = V IL - V OL 再生性保证一个受干扰的信号在通过若干逻辑级后逐渐收敛回到额定电平中的一个。

一个门的VTC 应当具有一个增益绝对值大于1的过渡区(即不确定区),该过渡区以两个有效的区域为界,合法区域的增益应当小于1。

理想数字门 特性:在过渡区有无限大的增益;门的阈值位于逻辑摆幅的中点;高电平和低电平噪声容限均等于这一摆幅的一半;输入和输出阻抗分别为无穷大和零。

传播延时、上升和下降时间的定义

传播延时tp 定义了它对输入端信号变化的响应有多快。它表示一个信号通过一个门时所经历的延时,定义为输入和输出波形的50%翻转点之间的时间。

上升和下降时间定义为在波形的10%和90%之间。 对于给定的工艺和门的拓扑结构,功耗和延时的乘积一般为一常数。功耗-延时积(PDP)----门的每次开关事件所消耗的能量。

一个理想的门应当快速且几乎不消耗能量,所以最后的质量评价为。能量-延时积(EDP) = 功耗-延时积2

第三章、第四章CMOS 器件 手工分析模型

()0 12'

2

min min ≥⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=GT DS GT D V V V V V L

W K I 若+-λ

()DSAT DS GT V V V V ,,m in min =

寄生简化:当导线很短,导线的截面很大时或当

所采用的互连材料电阻率很低时,电感的影响可

以忽略:如果导线的电阻很大(例如截面很小的长

铝导线的情形);外加信号的上升和下降时间很慢。

当导线很短,导线的截面很大时或当所采用的互

连材料电阻率很低时,采用只含电容的模型。

当相邻导线间的间距很大时或当导线只在一段很短的距离上靠近在一起时:导线相互间的电容可

以被忽略,并且所有的寄生电容都可以模拟成接

地电容。

平行板电容:导线的宽度明显大于绝缘材料的厚

度。

边缘场电容:这一模型把导线电容分成两部分:

一个平板电容以及一个边缘电容,后者模拟成一

条圆柱形导线,其直径等于该导线的厚度。

多层互连结构:每条导线并不只是与接地的衬底

耦合(接地电容),而且也与处在同一层及处在相邻层上的邻近导线耦合(连线间电容)。总之,再多层互连结构中导线间的电容已成为主要因素。这一效应对于在较高互连层中的导线尤为显著,因为这些导线离衬底更远。 例4.5与4.8表格 电压范围 集总RC 网络 分布RC 网络 0 → 50%(t p

) 0.69 RC 0.38 RC

0 → 63%(τ) RC 0.5 RC 10% → 90%(t r

) 2.2 RC 0.9 RC

0 → 90% 2.3 RC 1.0 RC

例4.1 金属导线电容

考虑一条布置在第一层铝上的10cm 长,1μm 宽的铝线,计算总的电容值。

平面(平行板)电容: ( 0.1×106

μm2 )×30aF/μm2 = 3pF 边缘电容:

2×( 0.1×106

μm )×40aF/μm = 8pF 总电容: 11pF 现假设第二条导线布置在第一条旁边,它们之间只相隔最小允许的距离,计算其耦合电

容。 耦合电容: C inter = ( 0.1×106

μm )×95 aF/μm2 = 9.5pF

材料选择:对于长互连线,铝是优先考虑的材料;多晶应当只用于局部互连;避免采用扩散导线;先进的工艺也提供硅化的多晶和扩散层

接触电阻:布线层之间的转接将给导线带来额外的电阻。

布线策略:尽可能地使信号线保持在同一层上并避免过多的接触或通孔;使接触孔较大可以降低接触电阻(电流集聚在实际中将限制接触孔的最大尺寸)。

采电流集聚限制R C , (最小尺寸):金属或多晶至n+、p+以及金属至多晶为 5 ~ 20 Ω ;通孔(金属至金属接触)为1 ~ 5 Ω 。

例4.2 金属线的电阻

考虑一条布置在第一层铝上的10cm 长,1μm 宽的铝线。假设铝层的薄层电阻为0.075Ω/□,计算导线的总电阻:

R wire =0.075Ω/□⨯(0.1⨯106

μm)/(1μm)=7.5k Ω 例4.5 导线的集总电容模型

假设电源内阻为10k Ω的一个驱动器,用来驱动一条10cm 长,1μm 宽的Al1导线。

电压范围 集总RC 网络 分布RC 网络 0 → 50%(t p

) 0.69 RC 0.38 RC

0 → 63%(τ) RC 0.5 RC

10% → 90%(t r

) 2.2 RC 0.9 RC

0 → 90% 2.3 RC 1.0 RC

使用集总电容模型,源电阻R Driver =10 k Ω,总的集总电容C lumped =11 pF

t 50% = 0.69 ⨯ 10 k Ω ⨯ 11pF = 76 ns t 90% = 2.2 ⨯ 10 k Ω ⨯ 11pF = 242 ns 例4.6 树结构网络的RC 延时

节点i 的Elmore 延时: τDi = R 1C 1 + R 1C 2 + (R 1+R 3) C 3 + (R 1+R 3) C 4 + (R 1+R 3+R i ) C i 例4.7 电阻-电容导线的时间常数 总长为L 的导线被分隔成完全相同的N 段,每段的长度为L/N 。因此每段的电阻和电容分别为rL/N 和cL/N R (= rL) 和C (= cL) 是这条导线总的集总电阻和电容()()()N N RC N N N rcL Nrc rc rc N L DN 2121 (22)

22

+=+=+++⎪⎭

⎝⎛=τ 结论:当N 值很大时,该模型趋于分布式rc 线;一条导线的延时是它长度L 的二次函数;分布rc 线的延时是按集总RC 模型预测的延时的一半.

2

rcL 22=RC DN =

τ

例4.8 铝线的RC 延时.考虑长10cm 宽、1μm 的Al1导线,使用分布RC 模型,c = 110 aF/μm 和r = 0.075 Ω/μm t p = 0.38⨯RC = 0.38 ⨯ (0.075 Ω/μm) ⨯ (110 aF/μm)

⨯ (105 μm)2

= 31.4 ns Poly :t p = 0.38 ⨯ (150 Ω/μm) ⨯ (88+2⨯54 aF/μm)

⨯ (105 μm)2

= 112 μs

Al5: t p = 0.38 ⨯ (0.0375 Ω/μm) ⨯ (5.2+2⨯12

aF/μm) ⨯ (105 μm)2

= 4.2 ns 例4.9 RC 与集总C

假设驱动门被模拟成一个电压源,它具有一定大小的电源内阻R s 。

应用Elmore 公式,总传播延时:

τD = R s C w + (R w C w )/2 = R s C w + 0.5r w c w L 2 及 t p = 0.69 R s C w + 0.38 R w C w 其中,R w = r w L ,C w = c w L

假设一个电源内阻为1k Ω的驱动器驱动一条1μm 宽的Al1导线,此时L crit 为2.67cm

第五章CMOS 反相器 静态CMOS 的重要特性:电压摆幅等于电源电压 → 高噪声容限。逻辑电平与器件的相对尺寸无关 → 晶体管可以采用最小尺寸 → 无比逻辑。稳态时在输出和V dd 或GND 之间总存在一条具有有限电阻的通路 → 低输出阻抗 (k Ω) 。输入阻抗较高 (MOS 管的栅实际上是一个完全的绝缘体) → 稳态输入电流几乎为0。在稳态工作情况下电源线和地线之间没有直接的通路(即此时输入和输出保持不变) → 没有静态功率。传播延时是晶体管负载电容和电阻的函数。

门的响应时间是由通过电阻R p 充电电容C L (电阻R n 放电电容C L )所需要的时间决定的 。

开关阈值V M 定义为V in = V out 的点(在此区域由于V DS = V GS ,PMOS 和NMOS 总是饱和的)

r 是什么:开关阈值取决于比值r ,它是PMOS 和NMOS 管相对驱动强度的比

DSATn

n DSATp p DD M V k V k V

V =

,r r 1r +≈ 一般希望V M = V DD /2 (可以使高低噪声容限具有相近的值),为此要求 r ≈ 1

例5.1 CMOS 反相器的开关阈值 通用0.25μm CMOS 工艺实现的一个CMOS 反相器的开关阈值处于电源电压的中点处。 所用工艺参数见表3.2。假设V DD = 2.5V ,最小尺寸器件的宽长比(W/L)n 为1.5

()()()()()()()()

V V L W V V V V k V V V V k L W L W M p DSATp Tp M DSATp p DSATn Tn M DSATn n n p 25.125.55.15.35.320.14.025.1263.043.025.10.163.01030101152266==⨯==----⨯-⨯⨯⨯----=---= 分析: V M 对于器件比值的变化相对来说是不敏感

的。将比值设为3、2.5和2,产生的V M 分别为

1.22V 、1.18V 和 1.13V ,因此使PMOS 管的宽度小于完全对称所要求的值是可以接受的。 增加PMOS 或NMOS 宽度使V M 移向V DD 或GND 。不对称的传输特性实际上在某些设计中是所希望的。 噪声容限:根据定义,V IH 和V IL 是dV out /dV in = -1(= 增益)时反相器的工作点 逐段线性近似V IH = V M - V M /g V IL = V M + (V DD - V M )/g 过渡区可以近似为一段直线,其增益等于

在开关阈值V M 处的增益g 。它与V OH 及V OL 线的交点

用来定义V IH 和V IL 。点。

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