数字集成电路教学大纲

《数字集成电路》课程教学大纲课程代码：060341001课程英文名称：digital integrated circuits课程总学时：48 讲课：44 实验：4 上机：0适用专业：电子科学与技术大纲编写（修订）时间：2017.05一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标数字集成电路是为电子科学与技术专业开设的学位课，该课程为必修专业课。

课程主要讲授CMOS数字集成电路基本单元的结构、电气特性、时序和功耗特性，以及数字集成电路的设计与验证方法、EDA前端流程等。

在讲授基本理论的同时，重在培养学生的设计思维以及解决实际问题的能力。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握CMOS工艺下数字集成电路基本单元的功能、结构、特性；2．掌握基于HDL设计建模与仿真、逻辑综合、时序分析；熟悉Spice模型；3．具备将自然语言描述的问题转换为逻辑描述的能力；4. 具有解决实际应用问题的能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：CMOS数字集成电路设计方法与流程；CMOS逻辑器件的静态、动态特性和Spice 模型；数字集成电路的时序以及互连线问题；半导体存储器的种类与性能；数字集成电路低功耗解决方法以及输入输出电路；数字集成电路的仿真与逻辑综合。

2.基本理论和方法：在掌握静态和动态CMOS逻辑器件特性基础上，理解CMOS数字集成电路的特性和工作原理；掌握真值表、流程图/状态机、时序图的分析方法和逻辑设计的基本思想。

3.基本技能:掌握器件与系统的建模仿真方法；具备逻辑描述、逻辑与时序电路设计能力；熟悉电路验证与综合软件工具。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基础概念、基本方法和设计思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加习题和讨论课，并在一定范围内学生讲解，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用网络资源、参照设计规范及芯片手册等技术资料的能力。

讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

3．计算机辅助设计：要求学生采用电路建模语言（SPICE/HDL）和仿真模拟工具软件进行电路分析与设计验证；采用逻辑综合工具软件进行电路综合；采用时序分析工具进行时序验证。

（四）对先修课的要求本课程主要的先修课程有：大学物理、电路、线性电子线路、脉冲与逻辑电路、EDA技术与FPGA应用、微机原理及应用，以及相关的课程实验、课程设计。

（五）对习题课、实践环节的要求1．对重点、难点章节（如：MOS反相器静态特性/开关特性和体效应、组合与时序MOS电路、动态逻辑电路、数字集成电路建模与仿真验证、数字集成电路逻辑综合）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。

2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及分析设计方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握分析与设计的方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，熟悉逻辑设计方法和技巧等作用，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示，并适当安排课内讲评作业。

学生必须独立、按时完成课外习题和作业，鼓励将自学内容作为课后作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。

3．每个学生要完成大纲中规定的必修实验，实验部分着重培养学生的CMOS数字集成电路分析与设计能力。

通过实验环节，学生应掌握CMOS逻辑器件的建模与仿真、数字电路HDL描述与仿真、HDL逻辑综合、静态时序分析等方面的技能，获得实验操作的基本训练。

实验成绩作为评定课程成绩的一部分。

4．安排大作业，大作业成绩作为平时成绩的一部分。

5．本课程的课程设计单独设课，用于理论联系实际，采用现代设计方法和手段完成。

课程设计单独考核，具体要求参见相应的课程设计教学大纲。

（六）课程考核方式1．考核方式：考试2．考核目标：在考核学生对数字电路基本知识、基本设计原理和方法的基础上，重点考核学生的电路分析与设计能力、信号与数据的逻辑、时序处理能力、电路模拟仿真/逻辑综合/时序分析能力。

3．成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占10%，实验成绩占10%，期末考试成绩占80%。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出；实验成绩由实验老师参照相关规定按百分制给出，实验无成绩或实验不及格，取消期末考试资格，总成绩直接以不及格计。

（七）参考书目《CMOS数字集成电路—分析与设计》（第三版），Jan M. Rabaey等著，王志功等译，电子工业出版社，2009年6月《数字集成电路—电路、系统与设计》（第二版），Sung-MO Kang等著，周德润等译，电子工业出版社，2004年10月《数字CMOS VLSI分析与设计基础》甘学温北京大学出版社，北京大学出版社，1999年2月二、中文摘要本课程是电子科学与技术专业学生必修的一门实践性较强的专业学位课程。

课程通过对CMOS数字集成电路基本器件的功能、结构、特性、模型，以及数字集成电路的工作原理、设计方法与工具流程等内容的讲授，使学生掌握数字集成电路的基础知识、信号与数据逻辑处理的基本原理和基本方法以及数字集成电路的设计与验证方法，使学生具有一定的CMOS数字集成电路设计能力。

课程主要包括CMOS数字集成电路基本单元的结构和特性以及建模、数字集成电路设计、仿真、逻辑综合、时序分析等。

本课程将为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。

三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第1部分数字集成电路概述总学时(单位：学时):2 讲课:0 实验:0 上机:0第1.1部分课程概述（讲课0.5学时）具体内容:1) 明确本课程的内容、性质和任务；2) 数字集成电路的设计、制造技术发展与现状；3) 熟悉课程相关的参考资料及查找方式第1.2部分数字集成电路设计方法与流程（讲课1学时）具体内容:1) 基于HDL的数字集成电路的设计方法；2) 数字集成电路的EDA设计流程；3) 主要的EDA工具；重点:数字集成电路的设计流程和方法难点:数字集成电路的设计流程和方法习题:仿真工具HSPICE的下载、试用安装第1.3部分半定制设计及模型库（讲课0.5学时）具体内容:1) 半定制设计的基本概念、方法；2) 集成电路半定制前端设计需要的模型库及其构成；重点:集成电路半定制前端设计需要的模型库及其构成；难点:集成电路半定制前端设计的模型库内容；习题:阅读库文件.lib文件，了解其中内容的含义第2部分用SPICE进行MOS管建模总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0第2.1部分二级与三级模型方程（讲课1学时）具体内容:1) MOS管的模型参数；2) 二级模型方程；3) 三级模型方程重点:MOS管的模型参数；难点:MOS管的模型参数；习题:深入理解模型参数的含义第2.2部分先进的MOSFET模型（讲课0.5学时）具体内容:1) BSIM模型；2) EKV晶体管模型；第2.3部分电容模型（讲课0.5学时）具体内容:1) 珊氧化层电容；2) 结电容；重点:珊氧化层电容、结电容；难点:珊氧化层电容、结电容；习题:阅读并理解参考教材1本章附录第3部分MOS反相器总学时(单位：学时):12 讲课:12 实验:0 上机:0 第3.1部分电阻负载型反相器（讲课2学时）具体内容:1) 反相器基本参数；2) 电路结构；3) 静态参数及计算；重点:反相器基本参数、静态参数及计算；难点:电阻负载型反相器静态参数及计算；第3.2部分 n型MOSFET负载反相器（讲课1学时）具体体内容:1) 增强型负载NMOS反相器；2) 耗尽型负载NMOS反相器；3) 静态参数及计算；4) 耗尽型反相器设计。

重点:静态参数及计算；难点:静态参数及计算；习题:静态参数及计算实例求解；第3.3部分 CMOS反相器（讲课4学时）具体体内容:1) 电路工作状态；2) Vth计算；3) CMOS反相器设计重点:CMOS反相器设计；难点:CMOS反相器设计；第3.4部分延迟时间的定义与计算（讲课1学时）具体体内容:1) 延迟时间的定义；2) 延迟时间的计算；重点:延迟时间的计算；难点:延迟时间的计算；习题:参考书习题中的计算反相器延迟时间；第3.5部分延迟限制下的反相器设计（讲课2学时）具体体内容:1) 延迟限制下的反相器设计实例；2) CMOS环形振荡电路；重点:延迟限制下的反相器设计；难点:CMOS环形振荡电路；第3.6部分互连线电容与延迟（讲课1学时）具体体内容:1) 互连线电容及估算；2) 互连线电阻及估算；3) 互连线延迟、模型、计算；重点:互连线电容；难点:互连线延迟的计算；习题:互连线延迟的计算；第3.7部分 CMOS反相器的开关功耗（讲课1学时）具体体内容:1) CMOS反相器的开关功耗；2) 功耗计算；3) 功率表仿真、功率-延迟积；重点:CMOS反相器的开关功耗计算；难点:CMOS反相器的开关功耗计算；习题:CMOS反相器的开关功耗计算；第4部分MOS逻辑电路单元总学时(单位：学时): 6 讲课:6 实验:0 上机:0第4.1部分耗尽型NMOS负载的MOS组合逻辑电路（讲课1学时）具体体内容:1) 双输入或非逻辑门及其静态特性；2) 多输入的一般或非结构；3) 或非门的瞬态分析；3) 与非门及分析重点:门结构及特性分析难点:门电路特性分析第4.2部分 CMOS组合逻辑电路（讲课1学时）具体体内容:1) CMOS双输入或非门；2) CMOS双输入与非门；3) 其它逻辑门；第4.3部分复合组合电路（讲课1学时）具体体内容:1) 复合组合电路设计方法；2) 复杂CMOS逻辑门电路；第4.4部分 CMOS传输门（讲课1学时）具体体内容:1) CMOS传输门结构、特性分析；2) 互补晶体管传输逻辑；重点:CMOS传输门特性分析；难点:CMOS传输门特性分析；第4.5部分双稳态器件特性及SR锁存电路（讲课0.5学时）具体体内容:1) 双稳态器件特性；2) SR锁存电路；重点:双稳态器件特性、SR锁存电路；难点:SR锁存电路；习题:双稳态器件特性仿真；第4.6部分钟控触发器和锁存器电路（讲课0.5学时）具体体内容:1) 钟控SR锁存器；2) 钟控JK锁存器；3) 主从触发器；重点:钟控SR锁存器、主从触发器；难点:主从触发器；第4.7部分 CMOS D锁存器和边沿触发器（讲课1学时）具体体内容:1) 电路结构；2) 时序特性；重点:电路结构、时序特性；难点:电路结构；第5部分动态逻辑电路总学时(单位：学时):8 讲课:8 实验:0 上机:0第5.1部分传输晶体管的基本原理（讲课2学时）具体内容:1) 逻辑1、0切换；2) 电荷存储与泻放；重点:逻辑1、0切换；难点:逻辑1、0切换；习题:逻辑1、0切换工作过程图解；第5.2部分电压自举技术（讲课1学时）具体内容:1) 电路结构；2) 计算实例；第5.3部分同步动态电路技术（讲课1学时）具体内容:动态传输晶体管电路；重点:动态传输晶体管电路；难点:动态传输晶体管电路；第5.4部分动态CMOS电路技术（讲课2学时）具体内容:1) CMOS传输门逻辑；2) 动态CMOS逻辑；重点:CMOS传输门逻辑、动态CMOS逻辑；难点:CMOS传输门逻辑；习题:CMOS传输门逻辑hspice仿真；第5.5部分高性能动态逻辑CMOS电路（讲课2学时）具体内容:1) 多米诺CMOS逻辑；2) NORA CMOS逻辑；3) 真单项时钟（TSPC）动态CMOS；4) 具有时序、相位关系的信号与数据处理重点:多米诺CMOS逻辑、NORA CMOS逻辑；难点:多米诺CMOS逻辑、NORA CMOS逻辑；习题:参考教材课后习题：多米诺电路分析；第6部分半导体存储器及芯片输入输出电路总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第6.1部分随机存储器SRAM和DRAM（讲课1学时）具体内容:1)随机存储器SRAM单元类型、工作原理；2)随机存储器DRAM单元类型、工作原理重点:RAM单元类型；难点:RAM单元类型；第6.2部分非易失存储器（讲课1学时）具体内容:1）闪存2）非易失存储器第6.3部分铁电存储器FRAM（讲课1学时）具体内容:铁电存储器FRAM第6.4部分静电放电(ESD)保护（讲课1学时）具体内容:静电放电(ESD)及保护第6.5部分输入电路（讲课1学时）具体内容:1) 输入电路结构；2) 特性分析重点:输入保护电路特性分析；难点:输入保护电路特性分析；第6.6部分输出电路（讲课1学时）具体内容:1) 输出电路结构；2) 特性分析、噪声重点:输出电路特性分析；难点:输出电路特性分析；第7部分数字集成电路设计总学时(单位：学时):12 讲课:8 实验:4上机:0第7.1部分基于HDL的数字集成电路设计基础（讲课2学时）具体内容:1) verilog HDL回顾；2) 设计方法与流程；3) 典型工具；重点:verilog HDL内容总结难点:verilog HDL内容总结第7.2部分数字集成电路设计常用的功能描述方法（讲课2学时）具体内容:1) 流程图法；2) 状态机法；3) 原理图法、波形法；重点:流程图法、状态机法、波形法难点:状态机法习题:交通灯的流程图、有限状态机；第7.3部分 HDL时序仿真（讲课2学时）具体内容:1) 测试平台构建；2) 代码覆盖率；3) 时序仿真流程；重点:测试平台构建难点:测试平台构建习题：交通灯代码仿真第7.4部分逻辑综合及工具（讲课2学时）具体内容:1) 时序约束内容；2) 约束文件的书写；3) 综合工具的使用；重点:时序约束的内容难点:时序约束的内容习题：学习TCL实验1：电路的HDL逻辑综合（2学时）实验2：电路的时序仿真（2学时）。