第一章 模拟电路设计
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工艺文件
版图文件
Fabless Design House
2017/3/20
Chipless
Foundry
23
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路制造能力与设计能力之间的剪刀差。
主流集成电路设计能力跟不上制造复杂度的增长 90nm vs 32nm or 45nm
2017/3/20
24
当前国际集成电路技术的发展趋势
2017/3/20
7
参考教材—参考教材
1. R. Gregorian, Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing, 1986。 2. T. Ytterdal, Device Modeling For Analog and RF CMOS Circuit Design, 2003。 3. R. Plasshe, CMOS Integrated Analog-toDigital and Digital-to-Analog Converters, 2003。 4. M. Burns, an Introduction to Mixed Signal IC Test and Measurement, 2001。
集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求
2017/3/20
12
集成电路(IC)的发展（1）
• 1947年，肖克利和 他的两助手布拉顿、 巴丁在贝尔实验室 工作时发明点接触 式晶体管。
• 1956年，晶体管的 发明获诺贝尔物理 学奖。
13 2017/3/20
1985~1995 365
1~0.35 4M~16M Pentium Pro 106-107 (33-200) 101-102
1995~2005 248
0.35~0.09 64M~256M P4 108-109 (200-3800) 102-103
2005~2015 193
0.09~0.032 1G~4G 多核架构 突破功耗
课程简介 • 本课程简介： 涵盖模拟设计技术领域核心内容； 注重基础知识的讲解； 注重电路分析方法的讲解。
• 教材:
模拟CMOS集成电路设计 西安交 大出版社
2017/3/20
4
如何保证学习效果
按时上课
希望以封闭训练形式严格要求自己 自我约束，态度决定一切
按时预习、自习
2017/3/20
30
半导体设计公司的职务及工作内容
(1) 生产线技术员：并非所有的半导体设计公司都有生 产线技术员的需求，多数半导体设计公司仅以研发 人员为主，但部分的公司则因设有产品测试部门， 因此需要生产线的作业员。这部分的员工需求以女 性为主，学历要求多为高中职以上毕业。 (2) 品管工程师：多数公司要求新进人员的学历为大学 以上，主要工作为进行半导体产品的质量管理作业。 (3) 行销、企划工程师：多数公司要求新进人员的学历 为企管硕士，最好大学能主修理工科系, 以便在进 行产品行销、企划的沟通过程中，能同时与技术人 员、销售人员进行更紧密的合作。其工作范围大致 包括产品规划、企划、市场研究等。
CMOS模拟集成电路设计
第一章 模拟电路设计绪论
杨红姣 yanghongjiao2004@
2017/3/20
1
目录
课程介绍与参考教材 IC产业的发展与中国现状 模拟集成电路设计的概论
2017/3/20
2
CMOS模拟集成电路设计
课程介绍与参考教材
2017/3/20
3
世界上第一台电子计算机
2017/3/20
14
• 1954年贝尔实验室 使用800只晶体管 组装了世界上第一 台晶体管计算机 TRADIC。
15 2017/3/20
集成电路(IC)的发展（2） • Kilby于1958年 发明了世界上 第一块集成电 路，并于2000 年获得诺贝尔 物理学奖 12个器件，Ge晶片
100
GATE LENGTH (nm)
Investment
Performance↑ / Cost↓
10
Market Growth
PITCH
LOW POWER HIGH PERFORMANCE 1 2000 2005 2010 YEAR 2015 2020
YEAR:
2004
2007 45 nm
2010 32 nm
2017/3/20
17
发展规划代次的指标
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代
时间(每代10年)
光刻光源波长 nm 特征尺寸μm 每代缩小约1/3 DRAM 主流产品Bit数 CPU代表产品 CPU 晶体管数
1975~1985 436
≥1 ≤1M 8086~386 104-105 (2-33) 100-101
2017/3/20
8
参考教材—参考期刊
IEEE Journal of Solid State Circuits IEEE Transactions on Electron Devices IEEE Electron Device Letters IEEE Trans. on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Signal Processing IEEE transactions on circuits and systems IEEE transactions on consumer electronics IEE Electronics Letters Analog Integrated Circuits and Signal Processing Solid-Sta.032~0.010 ≥16G
CPU时钟频率 MHz 每代增10倍
Wafer直径(英 寸)
2017/3/20
非主频 衡量标准
4-6
6-8
8-12
12-16
18
集成电路工艺的发展和进步
集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管 几何尺寸持续不断地减小得以实现的。
Transistor Scaling ITRS，International Technology Roadmap for Semiconductors
2017/3/20
9
CMOS模拟集成电路设计
IC产业的发展 与中国现状
2017/3/20 10
目录
• • • • • 集成电路的发展规律与广泛应用 集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求
2017/3/20
11
目录
• • • • •
集成电路的发展规律与广泛应用
2017/3/20
29
IC 设计领域及其工种介绍
• （三）集成电路布局设计 虽然大部分的公司要求布局工程师必须是电子、电 机、信息相关科系出身，但其实一般学校的这些科系并 不会教授学生布局相关的知识，绝大多数都是进了公司 以后再从头学起，想要学得相关技术，多半是要靠经验 累积，经验的累积需要时间，也因此各领域的布局人才 一直是处于需求大于供给的状态。
2017/3/20
26
集成电路设计者所需要的知识：
各方向交叉
1. 2. 3. 4.
系统知识。 电路知识。 工具知识。 工艺知识。
2017/3/20
27
IC 设计领域及其工种介绍
（一）模拟与混号信号电路设计
IC电路可分为为模拟IC与数字IC两大类，以及两者 兼具的混合信号等三种。在 IC 设计领域中，模拟人才 最为缺乏，相对而言模拟 / 混合信号设计工程师的人 才养成也最为困难，一般而言最起码需要 2 ～ 3 年的 经验才能完全上手，但也因为人才养成不易，具备模拟 / 混合信号专业技术的工程师身价个个不凡。 一般而言，具备电子背景的人学习模拟与混合信号 领域的知识会比较容易入门，若非相关科系的话，则必 须强化理论基础以及实作能力，方能与科班出身的学员 竞争，不过若有心从事这一行的话，只要肯下苦工扎实 工夫，从学习过程中逐步累积经验，必能走出自己的一 片天。
• 考试方式:闭卷考试
考试成绩(70%)＋平时(作业、考勤等)成绩
(30%).
2017/3/20 6
参考教材—课前预习教材
1. P.R. Gray，Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，2002，第四版。 2. P.E. Allen，CMOS Analog Integrated Circuits，2002。 3. R.J. Baker，CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation，2003。 4. K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, 1996。
课堂的时间短，尽可能预习、复习 许多基础知识需要自学
高度负责完成作业
一些学习项目在课堂无法完成，想其他办法完成，如 实践的项目多，需要课后完成 按时交作业
EMAIL联系
2017/3/20
5
学习要求及考试
• 学习要求: 课前预习,课后复习,按时上课,按时交作业. 自学+听课+作业 (每周四交作业)。
2012 22 nm
2014 15 nm
HALF-PITCH: 65 nm
2017/3/20
19
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路的特征尺寸向纳米尺度发展。
2017-2019年：开始基于8nm或5nm工艺进行批量生产
2017/3/20 20
当前国际集成电路技术的发展趋势
晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8英 寸，已向12英寸迈进，并出现18英寸晶圆。
集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润，
导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，集成电 路产业的发展具有明显的周期性。
工艺线建设投资的费用越来越高。 集成电路的掩模费很贵。每套掩模的寿命有限。 工艺线走代工（Foundry）的经营道路。 电路设计、工艺制造和封装的分立运行即垂直分工。
2017/3/20
28
IC 设计领域及其工种介绍
• （二）数字电路设计 传统的电路设计工作是一项需要累积丰富经验以及 长期努力的专业性工作，除了电子科系科班出身的从业 人员之外，其它工程背景的人士想要跨入这个领域都会 面临到很大的障碍和挑战。但是近年来这个情况已经产 生很大的变化，首先是各种消费性电子产品的生命周期 不断缩短，而系统的功能性和复杂度却不断攀升，许多 的功能需要使用相当程度的特定背景知识和足够复杂的 算法才能具体描述，使得纯逻辑设计专业工程师不足以 应付完整的产品设计工作，应用技术背景的工程师加入 IC 设计成为必要的趋势。
2017/3/20
25
集成电路工艺的发展特点和规律
九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已 从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)， 进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点： • 特征尺寸越来越小 • 芯片尺寸越来越大 • 单片上的晶体管数越来越多 • 时钟速度越来越快 • 电源电压越来越低 • 布线层数越来越多 • I/O引线越来越多
2017/3/20 16
摩尔定律
Godon Moore是Intel公司的创始人之一，1956 年他曾对半导体技术的发展作出预言： 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月 就翻一番； 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降 一半。
Technology (um) Year # transistors On-Chip Clock (MHz) Area (mm2) Wiring Levels 0.25 1997 11M 750 300 6 0.18 1999 21M 1200 340 6-7 0.15 2001 40M 1400 385 7 0.13 2003 76M 1600 430 7 0.10 2006 200M 2000 520 7-8 0.07 2009 520M 2500 620 8-9
450/300/200mm晶圆对比
2017/3/20
21
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路的规模不断提高。 集成电路的速度不断提高。 集成电路的复杂度不断提高，SOC成为开发的目标。 SOC电路设计向电路设计工程师提出更高的挑战。
2017/3/20
22
无生产线集成电路设计技术
版图文件
Fabless Design House
2017/3/20
Chipless
Foundry
23
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路制造能力与设计能力之间的剪刀差。
主流集成电路设计能力跟不上制造复杂度的增长 90nm vs 32nm or 45nm
2017/3/20
24
当前国际集成电路技术的发展趋势
2017/3/20
7
参考教材—参考教材
1. R. Gregorian, Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing, 1986。 2. T. Ytterdal, Device Modeling For Analog and RF CMOS Circuit Design, 2003。 3. R. Plasshe, CMOS Integrated Analog-toDigital and Digital-to-Analog Converters, 2003。 4. M. Burns, an Introduction to Mixed Signal IC Test and Measurement, 2001。
集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求
2017/3/20
12
集成电路(IC)的发展（1）
• 1947年，肖克利和 他的两助手布拉顿、 巴丁在贝尔实验室 工作时发明点接触 式晶体管。
• 1956年，晶体管的 发明获诺贝尔物理 学奖。
13 2017/3/20
1985~1995 365
1~0.35 4M~16M Pentium Pro 106-107 (33-200) 101-102
1995~2005 248
0.35~0.09 64M~256M P4 108-109 (200-3800) 102-103
2005~2015 193
0.09~0.032 1G~4G 多核架构 突破功耗
课程简介 • 本课程简介： 涵盖模拟设计技术领域核心内容； 注重基础知识的讲解； 注重电路分析方法的讲解。
• 教材:
模拟CMOS集成电路设计 西安交 大出版社
2017/3/20
4
如何保证学习效果
按时上课
希望以封闭训练形式严格要求自己 自我约束，态度决定一切
按时预习、自习
2017/3/20
30
半导体设计公司的职务及工作内容
(1) 生产线技术员：并非所有的半导体设计公司都有生 产线技术员的需求，多数半导体设计公司仅以研发 人员为主，但部分的公司则因设有产品测试部门， 因此需要生产线的作业员。这部分的员工需求以女 性为主，学历要求多为高中职以上毕业。 (2) 品管工程师：多数公司要求新进人员的学历为大学 以上，主要工作为进行半导体产品的质量管理作业。 (3) 行销、企划工程师：多数公司要求新进人员的学历 为企管硕士，最好大学能主修理工科系, 以便在进 行产品行销、企划的沟通过程中，能同时与技术人 员、销售人员进行更紧密的合作。其工作范围大致 包括产品规划、企划、市场研究等。
CMOS模拟集成电路设计
第一章 模拟电路设计绪论
杨红姣 yanghongjiao2004@
2017/3/20
1
目录
课程介绍与参考教材 IC产业的发展与中国现状 模拟集成电路设计的概论
2017/3/20
2
CMOS模拟集成电路设计
课程介绍与参考教材
2017/3/20
3
世界上第一台电子计算机
2017/3/20
14
• 1954年贝尔实验室 使用800只晶体管 组装了世界上第一 台晶体管计算机 TRADIC。
15 2017/3/20
集成电路(IC)的发展（2） • Kilby于1958年 发明了世界上 第一块集成电 路，并于2000 年获得诺贝尔 物理学奖 12个器件，Ge晶片
100
GATE LENGTH (nm)
Investment
Performance↑ / Cost↓
10
Market Growth
PITCH
LOW POWER HIGH PERFORMANCE 1 2000 2005 2010 YEAR 2015 2020
YEAR:
2004
2007 45 nm
2010 32 nm
2017/3/20
17
发展规划代次的指标
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代
时间(每代10年)
光刻光源波长 nm 特征尺寸μm 每代缩小约1/3 DRAM 主流产品Bit数 CPU代表产品 CPU 晶体管数
1975~1985 436
≥1 ≤1M 8086~386 104-105 (2-33) 100-101
2017/3/20
8
参考教材—参考期刊
IEEE Journal of Solid State Circuits IEEE Transactions on Electron Devices IEEE Electron Device Letters IEEE Trans. on Circuits and Systems-II: Analog and Digital Signal Processing IEEE transactions on circuits and systems IEEE transactions on consumer electronics IEE Electronics Letters Analog Integrated Circuits and Signal Processing Solid-Sta.032~0.010 ≥16G
CPU时钟频率 MHz 每代增10倍
Wafer直径(英 寸)
2017/3/20
非主频 衡量标准
4-6
6-8
8-12
12-16
18
集成电路工艺的发展和进步
集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管 几何尺寸持续不断地减小得以实现的。
Transistor Scaling ITRS，International Technology Roadmap for Semiconductors
2017/3/20
9
CMOS模拟集成电路设计
IC产业的发展 与中国现状
2017/3/20 10
目录
• • • • • 集成电路的发展规律与广泛应用 集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求
2017/3/20
11
目录
• • • • •
集成电路的发展规律与广泛应用
2017/3/20
29
IC 设计领域及其工种介绍
• （三）集成电路布局设计 虽然大部分的公司要求布局工程师必须是电子、电 机、信息相关科系出身，但其实一般学校的这些科系并 不会教授学生布局相关的知识，绝大多数都是进了公司 以后再从头学起，想要学得相关技术，多半是要靠经验 累积，经验的累积需要时间，也因此各领域的布局人才 一直是处于需求大于供给的状态。
2017/3/20
26
集成电路设计者所需要的知识：
各方向交叉
1. 2. 3. 4.
系统知识。 电路知识。 工具知识。 工艺知识。
2017/3/20
27
IC 设计领域及其工种介绍
（一）模拟与混号信号电路设计
IC电路可分为为模拟IC与数字IC两大类，以及两者 兼具的混合信号等三种。在 IC 设计领域中，模拟人才 最为缺乏，相对而言模拟 / 混合信号设计工程师的人 才养成也最为困难，一般而言最起码需要 2 ～ 3 年的 经验才能完全上手，但也因为人才养成不易，具备模拟 / 混合信号专业技术的工程师身价个个不凡。 一般而言，具备电子背景的人学习模拟与混合信号 领域的知识会比较容易入门，若非相关科系的话，则必 须强化理论基础以及实作能力，方能与科班出身的学员 竞争，不过若有心从事这一行的话，只要肯下苦工扎实 工夫，从学习过程中逐步累积经验，必能走出自己的一 片天。
• 考试方式:闭卷考试
考试成绩(70%)＋平时(作业、考勤等)成绩
(30%).
2017/3/20 6
参考教材—课前预习教材
1. P.R. Gray，Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，2002，第四版。 2. P.E. Allen，CMOS Analog Integrated Circuits，2002。 3. R.J. Baker，CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation，2003。 4. K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, 1996。
课堂的时间短，尽可能预习、复习 许多基础知识需要自学
高度负责完成作业
一些学习项目在课堂无法完成，想其他办法完成，如 实践的项目多，需要课后完成 按时交作业
EMAIL联系
2017/3/20
5
学习要求及考试
• 学习要求: 课前预习,课后复习,按时上课,按时交作业. 自学+听课+作业 (每周四交作业)。
2012 22 nm
2014 15 nm
HALF-PITCH: 65 nm
2017/3/20
19
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路的特征尺寸向纳米尺度发展。
2017-2019年：开始基于8nm或5nm工艺进行批量生产
2017/3/20 20
当前国际集成电路技术的发展趋势
晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8英 寸，已向12英寸迈进，并出现18英寸晶圆。
集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润，
导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，集成电 路产业的发展具有明显的周期性。
工艺线建设投资的费用越来越高。 集成电路的掩模费很贵。每套掩模的寿命有限。 工艺线走代工（Foundry）的经营道路。 电路设计、工艺制造和封装的分立运行即垂直分工。
2017/3/20
28
IC 设计领域及其工种介绍
• （二）数字电路设计 传统的电路设计工作是一项需要累积丰富经验以及 长期努力的专业性工作，除了电子科系科班出身的从业 人员之外，其它工程背景的人士想要跨入这个领域都会 面临到很大的障碍和挑战。但是近年来这个情况已经产 生很大的变化，首先是各种消费性电子产品的生命周期 不断缩短，而系统的功能性和复杂度却不断攀升，许多 的功能需要使用相当程度的特定背景知识和足够复杂的 算法才能具体描述，使得纯逻辑设计专业工程师不足以 应付完整的产品设计工作，应用技术背景的工程师加入 IC 设计成为必要的趋势。
2017/3/20
25
集成电路工艺的发展特点和规律
九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已 从亚微米(0.5到1微米)进入到深亚微米(小于0.5微米)， 进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。其主要特点： • 特征尺寸越来越小 • 芯片尺寸越来越大 • 单片上的晶体管数越来越多 • 时钟速度越来越快 • 电源电压越来越低 • 布线层数越来越多 • I/O引线越来越多
2017/3/20 16
摩尔定律
Godon Moore是Intel公司的创始人之一，1956 年他曾对半导体技术的发展作出预言： 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月 就翻一番； 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降 一半。
Technology (um) Year # transistors On-Chip Clock (MHz) Area (mm2) Wiring Levels 0.25 1997 11M 750 300 6 0.18 1999 21M 1200 340 6-7 0.15 2001 40M 1400 385 7 0.13 2003 76M 1600 430 7 0.10 2006 200M 2000 520 7-8 0.07 2009 520M 2500 620 8-9
450/300/200mm晶圆对比
2017/3/20
21
当前国际集成电路技术的发展趋势
集成电路的规模不断提高。 集成电路的速度不断提高。 集成电路的复杂度不断提高，SOC成为开发的目标。 SOC电路设计向电路设计工程师提出更高的挑战。
2017/3/20
22
无生产线集成电路设计技术