VLSI設計基礎

前言

　　《VLSI設計基礎》從2002年出版到現(xiàn)在已經(jīng)過去了將近7年，在這7年中，微電子技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展，VLSI的特征尺寸已經(jīng)達到了幾十納米量級。新結(jié)構(gòu)、新設計、新工藝、新材料等一系列新技術(shù)不斷地為新產(chǎn)品提供了實現(xiàn)的基礎與可能。VLSI設計的基礎水平已經(jīng)得到提升，標準加工技術(shù)成為常規(guī)生產(chǎn)手段，系統(tǒng)集成已不再僅僅是電路體系，而是發(fā)展到多能域信息處理體系的集成?！　〗?jīng)過7年對原教材的使用和教學實踐，一方面感覺到教材內(nèi)容應該補充和刪減，一方面也感覺到內(nèi)容體系本身也應該進行一些調(diào)整和完善。非常感謝電子工業(yè)出版社將《VLSI設計基礎》（第二版）推薦列入“普通高等教育‘十一五’國家級教材規(guī)劃”，為完善本教材提供了機會?！　　禫LSI設計基礎》（第二版）在原書的基礎上進行了較大篇幅的修改、補充和完善，幾乎每一章都進行了修訂。修訂篇幅較大的是第1、2、3、6、8、10章，對原先的第9章進行了大幅度的刪減，并將其并人到第10章，新的第9章則介紹了微機電系統(tǒng)（MEMS）?！　?nèi)容組織的基本宗旨是結(jié)合VLSI實際問題，根據(jù)系統(tǒng)信號鏈的組織、工程實踐問題與要求、VLSI設計的基本理念與方法、各相關部分的邏輯關系與內(nèi)在聯(lián)系，從發(fā)展的角度和對發(fā)展規(guī)律的總結(jié)出發(fā)，全面地、系統(tǒng)地介紹基本理論、基本方法、基本技術(shù)，以設計基礎內(nèi)容為對象，以VLSI問題為主線，在VLSI這個大綱下將其所涉及的各個主要方面組織到一起，成為綜合性的基礎教材?！　≡诘诙嬷校瑢χ饕鹿?jié)增加了結(jié)束語，對章節(jié)內(nèi)容進行了小結(jié)。除第10章外，每一章增加了思考與練習題。除教學內(nèi)容的作業(yè)與練習外，思考與練習題中還列入了上網(wǎng)查閱資料的要求，希望學生學會充分地利用網(wǎng)絡資源，不斷地自主擴充知識?！　‘斀滩奈淖謱懲甑臅r候，還感到意猶未盡，因為確實有太多的內(nèi)容、太快的發(fā)展，總感到跟不上發(fā)展的速度和知識的擴充，專業(yè)技術(shù)課程教材編寫的遺憾莫過于此。　　在本書的修編過程中，得到了東南大學教務處、電子科學與工程學院和周圍同事們以及家人的幫助與支持，在此一并表示感謝。

內(nèi)容概要

　　 本教材為“普通十一五國家級規(guī)劃教材”，全書共有10章。第1~3章重點介紹了VLSI設計的大基礎，包括三個主要部分：信息接收、傳輸、處理體系結(jié)構(gòu)及與相關硬件的關系。第4~6章介紹了數(shù)字VLSI設計的技術(shù)與方法。第7章介紹了數(shù)字系統(tǒng)的測試問題和可測試性設計技術(shù)。第8章介紹了VLSI中的模擬單元和變換電路的設計技術(shù)。第9章介紹了微機電系統(tǒng)（MEMS)及其在系統(tǒng)集成中的關鍵技術(shù)。第10章主要介紹了設計系統(tǒng)、HDL，對可制造性設計（DFM)的一些特殊問題進行了討論。

書籍目錄

第1章 VLSI設計概述 　1.1 系統(tǒng)及系統(tǒng)集成 　　1.1.1 信息鏈 　　1.1.2 模塊與硬件 　　1.1.3 系統(tǒng)集成 　1.2 VLSI設計方法與管理 　　1.2.1 設計層次與設計方法 　　1.2.2 復雜性管理 　　1.2.3 版圖設計理念 　1.3 VLSI設計技術(shù)基礎與主流制造技術(shù)　1.4 新技術(shù)對VLSI的貢獻 　1.5 設計問題與設計工具　1.6 一些術(shù)語與概念 　1.7 本書主要內(nèi)容與學習方法指導 　練習與思考一 第2章 MOS器件與工藝基礎　2.1 MOS晶體管基礎　　2.1.1 MOS晶體管結(jié)構(gòu)及基本工作原理 　　2.1.2 MOS晶體管的閾值電壓VT 　　2.1.3 MOS晶體管的電流—電壓方程 　　2.1.4 MOS器件的平方律轉(zhuǎn)移特性 　　2.1.5 MOS晶體管的跨導gm 　　2.1.6 MOS器件的直流導通電阻 　　2.1.7 MOS器件的交流電阻 　　2.1.8 MOS器件的最高工作頻率 　　2.1.9 MOS器件的襯底偏置效應 　　2.1.10 CMOS結(jié)構(gòu) 　2.2 CMOS邏輯部件 　　2.2.1 CMOS倒相器設計 　　2.2.2 CMOS與非門和或非門的結(jié)構(gòu)及其等效倒相器設計方法 　　2.2.3 其他CMOS邏輯門 　　2.2.4 D觸發(fā)器 　　2.2.5 內(nèi)部信號的分布式驅(qū)動結(jié)構(gòu) 　2.3 MOS集成電路工藝基礎 　　2.3.1 基本的集成電路加工工藝 　　2.3.2 CMOS工藝簡化流程 　　2.3.3 Bi-CMOS工藝技術(shù)　2.4 版圖設計 　　2.4.1 簡單MOSFET版圖 　　2.4.2 大尺寸MOSFET的版圖設計 　　2.4.3 失配與匹配設計 　2.5 發(fā)展的MOS器件技術(shù) 　　2.5.1 物理效應對器件特性的影響 　　2.5.2 材料技術(shù) 　　2.5.3 器件結(jié)構(gòu) 　練習與思考二 第3章 設計與工藝接口 　3.1 設計與工藝接口問題 　　3.1.1 基本問題——工藝線選擇 　　3.1.2 設計的困惑 　　3.1.3 設計與工藝接口 　3.2 工藝抽象 　　3.2.1 工藝對設計的制約 　　3.2.2 工藝抽象 　3.3 電學設計規(guī)則 　　3.3.1 電學規(guī)則的一般描述 　　3.3.2 器件模型參數(shù) 　　3.3.3 模型參數(shù)的離散及仿真方法 　3.4 幾何設計規(guī)則 　　3.4.1 幾何設計規(guī)則描述 　　3.4.2 一個版圖設計的例子 　3.5 工藝檢查與監(jiān)控 　　3.5.1 PCM（Process Control Monitor） 　　3.5.2 測試圖形及參數(shù)測量 　本章結(jié)束語 　練習與思考三 第4章 晶體管規(guī)則陣列設計技術(shù) 　4.1 晶體管陣列及其邏輯設計應用 　　4.1.1 全NMOS結(jié)構(gòu)ROM 　　4.1.2 ROM版圖 　4.2 MOS晶體管開關邏輯 　4.3 PLA及其拓展結(jié)構(gòu) 　　4.3.1 “與非—與非”陣列結(jié)構(gòu) 　　4.3.2 “或非—或非”陣列結(jié)構(gòu) 　　4.3.3 多級門陣列(MGA) 　4.4 門陣列 　　4.4.1 門陣列單元 　　4.4.2 整體結(jié)構(gòu)設計準則 　　4.4.3 門陣列在VLSI設計中的應用形式 　4.5 晶體管規(guī)則陣列設計技術(shù)應用示例 　練習與思考四 第5章 單元庫設計技術(shù) 第6章 微處理器 第7章 測試技術(shù)和可測試性設計 第8章 模擬單元與變換電路 第9章 微機電系統(tǒng)（MEMS）第10章 設計系統(tǒng)與設計技術(shù)結(jié)束語 參考文獻

章節(jié)摘錄

　　2.電信號處理與變換模塊　　通常的電信號處理與變換模塊完成模擬信號的放大或者是調(diào)制信號的檢出、模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換（DAC）、信號的調(diào)制等。主要內(nèi)容屬于模擬集成電路的設計范疇。　　從傳感器來的信號通常都比較微弱或者噪聲很大，因此，電信號處理電路必須解決微弱信號放大或濾噪。但是，因為在整個系統(tǒng)中，算法模塊部分占有了主要的和重要的位置，它占用了VLSI系統(tǒng)的大部分資源，同時，因為以數(shù)字部分為主，模擬電路必須與數(shù)字部分工藝兼容，因此，VLSI系統(tǒng)中的模擬信號放大部分實際上是比較簡單的電路，但必須滿足信號放大指標的要求。濾噪可以通過算法部分實現(xiàn)，這也部分地減輕了模擬電路的設計難度。　　為克服VLSI系統(tǒng)中模擬電路的設計難度，使傳感信號能夠被有效檢出，有時利用傳感器的電量去調(diào)制載波。例如，傳感器電量是以電容變化表現(xiàn)的，則可以采用調(diào)制振蕩器頻率的方式來傳遞信號，算法部分通過判讀頻率并進行處理，由此判斷外部信號的意義。例如，在某些濕度傳感器應用中，濕度改變了電容介質(zhì)的介電常數(shù)，從而引起電容量的變化，而該電容決定了多諧振蕩器的RC時間常數(shù)，當振蕩器在規(guī)定時間內(nèi)輸出的方波個數(shù)被讀取后，可以計算得到電容發(fā)生了多大的變化并進而得到濕度的大小?！　DC完成將模擬信號變換為數(shù)字信號，DAC則實現(xiàn)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。因為VLSI系統(tǒng)大部分采用MOS工藝實現(xiàn)，所以，DAC和ADC也常采用權(quán)電容或電荷分配方式工作，在高速信號處理方面則采用并行變換和過采樣技術(shù)?！　⌒盘栒{(diào)制也是一種常用的變換形式，根據(jù)需要，可以將模擬信號調(diào)制到一個載波上。例如，一個報警系統(tǒng)，傳感器感知了突發(fā)事件，處理模塊判斷了事件類型或性質(zhì)，系統(tǒng)以電話通信方式遠程傳送信息。這時，需要將信息調(diào)制到電話系統(tǒng)所能夠支持的傳送模式，例如雙音頻方式。　　3.算法模塊　　毫無疑問，目前的算法模塊以數(shù)字方式進行工作。它對應了數(shù)字硬件和算法軟件或軟硬協(xié)作?！　∥⑻幚砥鞯某霈F(xiàn)實現(xiàn)了用軟件控制算術(shù)邏輯單元（ALU）完成算術(shù)運算和邏輯操作，將單一的硬件模塊ALU變成為可以實現(xiàn)一系列功能的可復用的邏輯模塊，在軟件（實際上是控制碼）的控制下，ALU或成為加法器，或成為邏輯門，等等。硬件乘法器的出現(xiàn)解決了用普通ALU進行乘法操作的長運算問題，使得一段軟件代碼變成為一個操作步驟，在單指令周期或雙指令周期內(nèi)完成兩個幾十位的二進制數(shù)的乘操作。從這個例子，我們可以看到軟件和硬件在完成特定工作中各有優(yōu)勢，因此，算法模塊的設計需要綜合考慮資源與效率的需求。　　經(jīng)典的邏輯設計技術(shù)在VLSI系統(tǒng)中得到了優(yōu)化與提升。隨著系統(tǒng)復雜程度的大大提高，傳統(tǒng)的設計技術(shù)已不能滿足VLSI系統(tǒng)的要求。

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