专用集成电路设计基础教程（来新泉 西电版） 全套课件（上）PPT文档格式.pptx

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CMOS与NMOS相比，其主要优点是功耗较低，且多晶硅栅的生产工艺更为简单，便于器件尺寸按比例缩小。

近代亚微米CMOS工艺与亚微米双极型或BiCMOS（双极型和CMOS的组合）工艺同样复杂，但CMOSIC更容易大批量制造而且成本更低。

因此，CMOSIC已确立了其主导地位。

但双极型或BiCMOSIC仍用在一些有特殊要求的场合，如双极型晶体管通常比CMOS晶体管的耐压高，这使得双极型或BiCMOSIC在电力电子（PowerElectronics）、汽车、电话等电路中非常有用。

2）专用集成电路IEEE定制集成电路会议（CustomIntegratedCircuitsConference，CICC）是最早致力于IC行业这一快速发展分支的会议之一，该年会的论文集成了定制IC发展中很有用的参考资料。

当各种定制IC逐步形成各种不同应用时，出现了新的IC术语专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）。

对ASIC给出确切定义很困难，相对于市场上通用的集成电路而言，ASIC一般指面向特定的用户或特定用途而设计制造的集成电路。

但现在各个领域都需要专用集成电路，要明显地划分对于某个用户或专业来说比较特殊、性能比较好的集成电路不太容易。

此处仅举一些例子来帮助读者加深对这一术语的理解。

不属于ASIC的IC例子包括：

标准部件，如作为商品出售的存储器芯片ROM、DRAM、SRAM；

微处理器；

SSI、MSI、LSI等各种集成规模的TTL或等效TTLIC。

属于ASIC的IC例子包括：

会说话的玩具熊芯片；

卫星芯片；

工作站CPU中存储器与微处理器之间的接口芯片；

微处理器与其他逻辑一起作为一个单元的芯片等。

一般而言，可以在数据手册中查到的就不是ASIC，当然也会有一些例外。

比如，PC控制器芯片和调制解调器既可认为是ASIC，也可以认为不是ASIC，它们在具体应用中都是专用的（似乎是ASIC），但它们可以出售给不同的系统制造商（似乎又是标准部件）。

这样的ASIC有时就称为专用标准产品（ApplicationSpecificStandardProduct，ASSP）。

3）集成电路的未来发展近年来，集成电路朝着两个方向发展：

（1）在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。

（2）迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术和测试技术等发展各种专用集成电路。

1.2集成电路的分类1.2.1按集成规模分类通常，IC的大小由IC所含逻辑门数目或晶体管数目来确定。

作为衡量单位，等效逻辑门对应于2输入与非门（NAND），如10万门的IC等效于包含了10万个2输入与非门。

半导体工业从20世纪70年代初开始发展并迅速趋于成熟。

早期的小规模集成（Small-ScaleIntegration，SSI）IC仅包含几个（110个）逻辑门与非门、或非门（NOR）等，相当于几十个晶体管。

中规摸集成（Medium-ScaleIntegration，MSI）时期增加了逻辑集成的范围，可得到计数器和类似的较大规模的逻辑功能。

大规模集成（Large-ScaleIntegration，LSI）时期在单个芯片上集成了更强的逻辑功能，诸如第一代微处理器之类。

如今的超大规模集成（Very-Large-Scale-Integration，VLSI）时代可提供64位微处理器，并在单个硅芯片上拥有高速缓冲存储器和浮点运算单元，远远超过百万个晶体管。

随着CMOS工艺技术的改进，晶体管尺寸继续变小，使IC可容纳更多的晶体管。

有人已经使用了特大规模集成（Ultra-Large-Scale-Integration，ULSI）的术语。

小规模集成（SSI）电路：

每片含有100个元件或10个逻辑门以下的集成电路，出现于20世纪60年代；

中规模集成（MSI）电路：

每片含有1001000个元件或10100个逻辑门的集成电路，出现于20世纪70年代；

大规模集成（LSI）电路：

每片含有1000100000个元件或5000个逻辑门的集成电路，出现于20世纪80年代；

超大规模集成（VLSI）电路：

每片含有100000个元件或5000个逻辑门以上的集成电路，出现于20世纪90年代；

特大规模集成（ULSI）电路：

每片含有106107个逻辑门的集成电路，出现在21世纪后。

对IC集成规模的经典预测之一称为摩尔定律（MooresLaw）。

戈登摩尔（GordonMoore）是Intel公司的创始人之一，他在20世纪70年代就预测到了芯片制造技术将快速发展。

他预计，在一个芯片上晶体管的数目大约每18个月就将翻倍。

虽然由于技术问题或经济发展的原因，晶体管数目与增长速度会有所不同，但摩尔定律已经被证明与实际趋势惊人地相近。

图1-1是微处理器芯片的器件数目随年度变化的关系图。

图1-1器件数目随年度增长由于尺寸的缩小受到技术上的限制，晶体管数目的增长速度还能保持多久，一直引起人们的争论。

然而不管实际的增长率将如何，有一点是清楚的，即对IC设计的投入将在今后许多年中保持强劲的增长势头。

2.按制作工艺分类1.Bipolar工艺Bipolar（双极）工艺的发展历史最长，技术已很成熟，成本也比较低廉。

双极电路噪声小，漂移小，匹配性好，速度快，但很大的不足是器件的工作原理决定了工作电流较大，效率难以大幅度提高。

它的集成度也较低，目前主要用于中小规模集成电路和一些高速大电流的集成电路中。

2.CMOS工艺CMOS工艺近些年发展很快，已经成为集成电路制造的主流工艺。

它的突出优点是集成度高，静态功耗低，适用于大规模集成电路和低功耗设计。

它的不足之处是噪声较大，匹配性不如Bipolar工艺好，速度也没有Bipolar电路高，但最近几年有所改善。

3.BiCMOS工艺采用BiCMOS工艺既可以制作Bipolar型晶体管，又可以制作MOS型晶体管，所以在设计中可以充分发挥两类晶体管各自的优势，设计自由度高、灵活性好。

采用BiCMOS工艺可以实现功耗低、速度快的高性能芯片。

但它同上面两种工艺相比，要复杂得多，因此也昂贵得多。

4.BCDBCD工艺是近些年发展起来的一种新工艺，其中B代表双极工艺，C代表CMOS，D代表DMOS（双扩散型的MOS）。

BCD工艺是比较完整的可以制作任何器件的一种工艺。

在需要线性度高、放大倍数比较大的场合，通常双极工艺比较好；

而如果需要低功耗，则CMOS比较好；

一旦需要有较大的输出功率，又要控制功率小、电流比较大，则DMOS比较好。

BCD工艺应该说是线性电路中一种理想的工艺，因而工艺厂商都在竞相开发。

5.GaAs工艺GaAs工艺一般用于极高速的设计中，通常所设计的电路可达几个吉赫兹。

这种工艺用得比较少，这里就不详细介绍了。

1.2.3按生产形式（按适用性）分类按生产形式（按适用性）分类，集成电路可分为：

标准通用集成电路：

不同厂家都在同一时间生产的用量极大的标准系列产品。

这类产品往往集成度不高，但社会需求量大，通用性强。

专用集成电路（ASIC）：

根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路。

其特点是集成度较高，功能较多，功耗较小，封装形式多样。

1.2.4按设计风格分类定制设计的电路通常也被称为专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）。

ASIC按照设计方法的不同可分为全定制（Full-Custom）ASIC、半定制（Semi-Custom）ASIC和可编程（ProgrammableLogicDevice，PLD）ASIC（也称为可编程逻辑器件）。

设计全定制ASIC芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，最后将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。

其优点是：

芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。

其缺点是：

开发周期长，费用高，只适合大批量产品的开发。

半定制ASIC芯片的版图设计方法有所不同，分为门阵列设计法和标准单元设计法，这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。

可编程逻辑芯片与上述掩膜ASIC的不同之处在于：

设计人员完成版图设计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片，无需IC厂家的参与，这就大大缩短了开发周期。

可编程逻辑器件自20世纪70年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA等几个发展阶段，其中CPLD/FPGA属高密度可编程逻辑器件，目前的集成度已高达200万门/片。

它将掩膜ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩膜ASIC实现，因此开发风险也大为降低。

上述ASIC芯片，尤其是CPLD/FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现载体。

1.2.5按用途分类按用途分类，集成电路可分为：

数字集成电路：

专门用来处理数字信号的IC，如各种逻辑门、触发器、存储器等都是数字集成电路。

通常，数字信号是二进制信号。

电路输出的二进制信号与输入的二进制信号有一定的逻辑关系，这种逻辑关系就称为电路的逻辑函数。

模拟集成电路：

模拟集成电路是对随时间连续变化的模拟量（电压或电流等）进行处理（放大或变换）的一类集成电路。

更广义些，人们把数字集成电路以外的各种集成电路统称为模拟集成电路。

数模混合集成电路：

在同一芯片上同时兼有数字电路、模拟电路、模/数（A/D）转换电路和数/模（D/A）转换电路的集成电路。

1.3ASIC及其发展趋势ASIC并不是一个学术名词，它的含义很不确切。

按字面来解释，凡是用于某一类专用系统的电路都可以称为ASIC，而不管它是卖给一个用户还是多个用户。

目前在集成电路界，ASIC被认为是用户专用集成电路（