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

1、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CMOS IC更容易大批量 制造而且成本更低。因此，CMOS IC已确立了其主导地位。但 双极型或BiCMOS IC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 BiCMOS IC在电力电子（Power Electronics）、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（Custom Integrated Circuits C

2、onference，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（Application Specific Integrated Circuit，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

3、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TTL IC。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（A

4、pplication Specific Standard Product，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

5、-Scale Integration，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-Scale Integration，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-Scale Integration，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CM

6、OS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1000100 000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100 000个元件或 5000个逻辑门以上的集成电路，出

7、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（Moores Law）。戈登摩尔（Gordon Moore）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

8、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

9、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

10、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

11、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（Application Specific Integrated Circuit，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（Programmable Logic Device，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

12、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

13、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（