集成电路的原理范例(3篇)

集成电路的原理范文篇1

关键词:专用集成电路设计;创新;教学;探讨

中图分类号:G424文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)04-0920-02

DiscussingaboutHowtoTeachthe"DesignofApplication-SpecificIntegratedCircuit"Course

WUYu-hua

(BeijingElectronicScienceandTechnologyInstitute,Beijing100070,China)

Abstract:"DesignofApplication-SpecificIntegratedCircuit"isanimportantspecialtycourse.Inthispaper,wewilldiscusstheteachingtechniqueaboutthiscourseofnon-micro-electronicsspecialty.Combiningtheteachingpractice,severalteachingexperiencesabout"DesignofApplication-SpecificIntegratedCircuit"coursearesummarized.

Keywords:designofapplication-specificintegratedcircuit;innovate;teaching;discuss

《专用集成电路设计》是电气信息类专业开设的一门比较重要的专业课。为了培养宽口径、基础扎实的集成电路设计人才,满足IC行业对人才的大量需求,无论是在微电子专业,还是在相关的其他电气信息类专业,不少重点高等院校都已经开设了本门课程。在学生已经掌握了模拟电子技术、数字电子技术和一定的晶体管原理知识的基础上,通过学习《专用集成电路设计》课,进行ASIC设计理论的学习和实践的强化,进一步掌握集成电路和电路系统的设计知识,提高集成电路设计能力,增长集成电路设计经验;通过理论教学和实践教学,来加强电气信息类专业学生的电路设计基础、版图设计基础以及集成电路设计各环节的验证知识等,培养学生在集成电路设计方面的研究兴趣,为后续课程的学习和进一步的深造打好基础。

由于专业建设和人才培养的需要,北京电子科技学院同样开设了《专用集成电路设计》的专业选修课,授课对象是电子信息工程专业的本科生,由于非微电子的专业背景原因,他们并不具备足够的半导体物理、晶体管原理等知识,因此在本课程的教学过程中,必然要针对具体对象,调整教学内容,创新教学思路,加强教学研究,找到一种适合于非微电子专业本科生的教学思想和教学方法。通过教学实践,学生对于课程组在这一课程中的创新、探索和具体的教学方法比较认可。这里把我们在《专用集成电路设计》课教学实践中的初步探索做一些总结,希望与大家分享。

1结合实际合理设置授课内容,以学生能够接受为目标

电子信息工程专业的学生在学习《专用集成电路设计》课程之前,已经系统地学习了《电路分析》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《EDA技术》等有关电子技术和电路系统的课程,对于电路系统的设计已经有了一定的理解,并进行过比较系统的动手实践训练,为进一步学习《专用集成电路设计》课程打下了比较坚实的知识基础和实践基础。但是由于专业背景的原因,该专业不太可能只是为了《专用集成电路设计》课而专门开设《半导体物理》、《晶体管原理》等这些在微电子专业才有的课程,因此,与微电子专业相比,电子信息工程专业的本科生欠缺有关晶体管原理和半导体工艺等方面的必要知识。在设置授课内容时,必然要考虑到这一点,总的原则应当是以学生能够接受、但又不应该过于轻松接受为目标,而且要尽量避免与《EDA技术》等课程的知识重复。

根据我们的课程内容设置原则,将《专用集成电路设计》课的讲授内容分为以下几章:第一章:ASIC设计概述;第二章:CMOS逻辑;第三章:ASIC库设计;第四章:ASIC的前端设计;第五章:ASIC的后端设计;第六章:可测性设计技术;第七章:SOC设计技术简介。在各章的讲授中,占用课时较多的分别是第二章、第三章和第五章。在讲授时强调培养学生的系统设计能力,使学生对专用集成电路的设计、制造、测试等一整套流程有一般性、整体性的了解,建立专用集成电路的基本概念和方法,了解IC领域的最新发展趋势,激发学生潜在的对集成电路前、后端设计的兴趣。为了配合理论教学,提升教学效果,还设置了合适的实验教学内容。

2注重实验教学效果,以培养动手实践能力为目标

集成电路设计类课程除了理论教学以外,实验教学尤为重要,因为这类课程对学生的训练重点正是在于动手实验,提前接触到未来在进一步的研究和工作中可能会应用到的一些软件工具、设计流程以及设计技巧等,这样才能促进学生理论与实践相结合,真正帮助学生掌握ASIC设计技术。因此本课程要更加注重实验教学效果,着力培养学生的动手实践能力,进而使学生能够更加准确、具体和形象地掌握在课堂上学到的理论知识。根据这一原则,经过试用修订,我们专门编印了《专用集成电路设计实验指导书》,根据大纲的变化,使用工具版本的提高,目前已经编印了2007版和2009版的实验指导书,共设计了五个实验,具体是:实验一:IC设计工具的使用;实验二:单元电路的前端设计;实验三:标准单元的版图绘制与验证;实验四:四位加法器和减法器ASIC的设计;实验五:计数器ASIC的设计。每个实验3学时,其中实验二、实验四和实验五为综合性、设计性实验。

选用一种合适的集成电路设计工具是顺利进行实践教学的关键。我们选用了美国TannerResearch公司开发的一种优秀集成电路设计工具――TannerToolsPro,它虽然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具强大,但它的最大优点是成本低,可以在PC机上使用,而且图形处理速度快,编辑功能强,便于学习,使用方便,特别适用于高校进行相关的教学和科研工作。TannerPro工具在美国和台湾的很多大学中早已被广泛应用,台湾不少IC设计企业也在使用TannerPro工具。该工具较新版本为TannerToolsPro13.0,主要包含了S-EDIT(原理图编辑)、L-EDIT(版图编辑)、T-SPICE(电路仿真)、W-EDIT(波形观察)和LVS(版图与原理图比对)等几个功能不同的子工具,满足了集成电路设计从前端到后端、设计验证的一系列过程的需要,完全可以适用于《专用集成电路设计》课程的实践教学。通过我们在课程实验、毕业设计等实践教学环节的使用,发现学生对这个工具上手快、掌握熟,对于以后使用其他的IC设计工具也有一定的帮助,而且培养了他们将来涉足IC设计领域的兴趣和信心。图1是学生在实践教学中得到的一个版图设计结果。

3适当讲授最新技术进展,以让学生跟上行业发展脚步为目标

我们都知道,集成电路设计技术、制造工艺等的发展速度飞快,遵循着集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度下降、集成度每年翻一番和价格每两年下降一半的著名的摩尔定律,集成电路的设计和制造技术发展日新月异。因此,在《专用集成电路设计》的教学过程中,必须要根据教学大纲的要求,在系统讲授已经设置好的教学内容的前提下,结合具体授课内容,适当讲授最新技术进展,以期让学生跟上集成电路设计行业发展的脚步,并不断将这些新技术、新进展、新方法、新工具、新工艺融入到授课内容中,做到授课内容常讲常新。其实这除了让学生可以接受到最新的知识和了解到该领域最新进展之外,同时也是一个教学相长的过程,对于教师的教学和相关科研也是一种无形的促进,可以督促教师不断地跟踪与IC设计、制造相关的最新研究成果,并进行精心的组织,将这些成果有机融入到课程教学中,做到授课内容的不断更新,而且这样也才能够避免一份讲稿多年重复使用,保证教师在教学中的激情,增强教学效果。

在这里仅仅举一个具体例子。在一次讲授到集成电路工艺的内容时,作者为同学们讲授了不断发展的集成电路工艺水平,以及所遇到的工艺发展瓶颈对于摩尔定律的挑战,还具体讲到了Intel公司新推出的0.45nm工艺的CPU,它采用了大大不同于以往的工艺方法,这次工艺变革可以称得上是“拯救摩尔定律”的一大技术进展。本次课后,不少同学纷纷通过互联网等来查阅这一最新工艺的具体情形,表现出了浓厚的学习兴趣。

4创新课程考查方式,以激发学生进一步的研究兴趣为目标

一门课程的考查方式如何,对于这门课程能不能按照教师的预想,达到既定的最终教学目的,有着比较重要的作用。传统的一张试卷去“考”出学生学习效果的方式虽然比较简单省事,但却过于单调,虽然从某种程度上能够考查出学生对这门课程知识的掌握程度,但是对于激发学生在学完这门课程之后,对本学科、本领域进行进一步研究的兴趣却作用不大。由于自从接受学校教育以来经历了无数次的考试,不少学生厌烦考试的情绪比较严重,恨不得考完后把教材、作业、笔记等都马上丢弃,这是现实存在的、我们必须得承认的事实。从某种意义上说,通过考试来考查学生的学习,有时对最终教学目标的实现会起到一定的反作用。而且单纯考试的方式也很难发现学生对于这门课、这个领域、这个行业的独特想法和创新思路。

作者在《专用集成电路设计》教学过程中,结合课程的专业特点,积极探索并实践了采用提交论文和现场答辩相结合的课程考查方式,即在课程讲授到二分之一左右时,布置给学生论文题目,对于论文的范围、参考文献的篇数、论文的格式和字数等做出明确而具体的规范,要求学生在最后一次课之前提交自己的论文,做好答辩ppt,并利用专门的时间集中进行答辩,每位学生对自己准备的论文,进行5分钟左右的讲解,并接受教师和其他学生的提问。通过创新课程考查方式,提交论文和现场答辩相结合,让学生在准备论文和答辩材料的过程中对专用集成电路设计的有关内容和工艺、方法等有了更加深刻的理解,并有了一个系统的知识梳理过程,现场答辩的方式也更能够展现学生对于集成电路设计的一些独特的思路和创新性的理解,学生在经历这一过程时,也促使自己积极思考,主动研究,努力去探索和集成电路、微电子学有关的一些研究方法和最新进展,激发自己在完成本门课程的学习后、甚至是大学毕业后进行进一步研究的兴趣和信心;另外还在这个过程中提升了学生的论文写作能力、科学研究能力。

5结束语

《专用集成电路设计》课(或者其他名称的类似课程)在不少设有微电子学专业的重点大学中开设较为普遍,但在没有微电子学专业的高校特别是非重点高校中开设并不多,对于该课程教学实践中的一些具体的方法研究和探讨需要更加深入。作者在教学实践中,紧密围绕本校、本专业的培养目标,以授课对象为主体,遵循课程的教学规律和科学研究规律,选择合适的授课内容和教学方法,并且不断地对此进行探索和研究,收到了初步的教学效果。当然,教学创新永无止境,教学方法的研究和探讨不能止步,作为一名年轻教师,在今后的教学实践中,作者将在加强学习以及与同行交流的前提下,进一步拓宽和创新教学思路,探索和完善教学模式,研究和更新教学内容,学习和探讨教学技巧,敢于创新,善于创新,真正做到教好书,育好人。

参考文献:

[1]MichaelJohnSebastianSmith.专用集成电路[M].虞惠华,等,译.北京:电子工业出版社,2004.

[2]路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]廖裕评,陆瑞强.集成电路设计与布局实战指导[M].北京:科学出版社,2004.

集成电路的原理范文

关键词：集成电路设计；版图；EDA

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）36-0125-02

集成电路是当今信息技术产业高速发展的基础和源动力，已经高度渗透与融合到国民经济和社会发展的每个领域，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一[1]，美国更将其视为未来20年从根本上改造制造业的四大技术领域之首。我国拥有全球最大、增长最快的集成电路市场，2013年规模达9166亿元，占全球市场份额的50%左右。近年来，国家大力发展集成电路，在上海浦东等地建立了集成电路产业基地，对于集成电路设计、制造、封装、测试等方面的专门技术人才需求巨大。为了适应产业需求，推进我国集成电路发展，许多高校开设了电子科学与技术专业，以培养集成电路方向的专业人才。集成电路版图设计是电路设计与集成电路工艺之间必不可少的环节。据相关统计，在从事集成电路设计工作的电子科学与技术专业的应届毕业生中，由于具有更多的电路知识储备，研究生的从业比例比本科生高出很多。而以集成电路版图为代表包括集成电路测试以及工艺等与集成电路设计相关的工作，相对而言对电路设计知识的要求低很多。因而集成电路版图设计岗位对本科生而言更具竞争力。在版图设计岗位工作若干年知识和经验的积累也将有利于从事集成电路设计工作。因此，版图设计工程师的培养也成为了上海电力学院电子科学与技术专业本科人才培养的重要方向和办学特色。本文根据上海电力学院电子科学与技术专业建设的目标，结合本校人才培养和专业建设目标，就集成电路版图设计理论和实验教学环节进行了探索和实践。

一、优化理论教学方法，丰富教学手段，突出课程特点

集成电路版图作为一门电子科学与技术专业重要的专业课程，教学内容与电子技术（模拟电路和数字电路）、半导体器件、集成电路设计基础等先修课程中的电路理论、器件基础和工艺原理等理论知识紧密联系，同时版图设计具有很强的实践特点。因此，必须从本专业学生的实际特点和整个专业课程布局出发，注重课程与其他课程承前启后，有机融合，摸索出一套实用有效的教学方法。在理论授课过程中从集成电路的设计流程入手，在CMOS集成电路和双极集成电路基本工艺进行概述的基础上，从版图基本单元到电路再到芯片循序渐进地讲授集成电路版图结构、设计原理和方法，做到与上游知识点的融会贯通。

集成电路的规模已发展到片上系统（SOC）阶段，教科书的更新速度远远落后于集成电路技术的发展速度。集成电路工艺线宽达到了纳米量级，对于集成电路版图设计在当前工艺条件下出现的新问题和新规则，通过查阅最新的文献资料，向学生介绍版图设计前沿技术与发展趋势，开拓学生视野，提升学习热情。在课堂教学中尽量减少冗长的公式和繁复的理论推导，将理论讲解和工程实践相结合，通过工程案例使学生了解版图设计是科学、技术和经验的有机结合。比如，在有关天线效应的教学过程中针对一款采用中芯国际（SMIC）0.18um1p6m工艺的雷达信号处理SOC芯片，结合跳线法和反偏二极管的天线效应消除方法，详细阐述版图设计中完全修正天线规则违例的关键步骤，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了较好的教学效果。

集成电路版图起着承接电路设计和芯片实现的重要作用。通过版图设计，可以将立体的电路转化为二维的平面几何图形，再通过工艺加工转化为基于半导体硅材料的立体结构[2]。集成电路版图设计是集成电路流程中的重要环节，与集成电路工艺密切相关。为了让学生获得直观、准确和清楚的认识，制作了形象生动、图文并茂的多媒体教学课件，将集成电路典型的设计流程、双极和CMOS集成电路工艺流程、芯片内部结构、版图的层次等内容以图片、Flas、视频等形式进行展示。

版图包含了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据[3]。掩膜上的图形决定着芯片上器件或连接物理层的尺寸。因此版图上的几何图形尺寸与芯片上物理层的尺寸直接相关。而集成电路制造厂家根据版图数据来制造掩膜，对于同种工艺各个foundry厂商所提供的版图设计规则各不相同[4]。教学实践中注意将先进的典型芯片版图设计实例引入课堂，例如举出台湾积体电路制造公司（TSMC）的45nmCMOS工艺的数模转换器的芯片版图实例，让学生从当今业界实际制造芯片的角度学习和掌握版图设计的规则，同时切实感受到模拟版图和数字版图设计的艺术。

二、利用业界主流EDA工具，构建基于完整版图设计流程的实验体系

集成电路版图设计实验采用了Cadence公司的EDA工具进行版图设计。Cadence的EDA产品涵盖了电子设计的整个流程，包括系统级设计、功能验证、集成电路（IC）综合及布局布线、物理验证、PCB设计和硬件仿真建模模拟、混合信号及射频IC设计、全定制IC设计等。全球知名半导体与电子系统公司如AMD、NEC、三星、飞利浦均将Cadence软件作为其全球设计的标准。将业界主流的EDA设计软件引入实验教学环节，有利于学生毕业后很快适应岗位，尽快进入角色。

专业实验室配备了多台高性能Sun服务器、工作站以及60台供学生实验用的PC机。服务器中安装的Cadence工具主要包括：VerilogHDL的仿真工具Verilog-X、电路图设计工具Composer、电路模拟工具AnalogArtist、版图设计工具VirtuosoLayoutEditing、版图验证工具Dracula和Diva、自动布局布线工具Preview和SiliconEnsemble。

Cadence软件是按照库（Library）、单元（Cell）、和视图（View）的层次实现对文件的管理。库、单元和视图三者之间的关系为库文件是一组单元的集合，包含着各个单元的不同视图。库文件包括技术库和设计库两种，设计库是针对用户设立，不同的用户可以有不同的设计库。而技术库是针对工艺设立，不同特征尺寸的工艺、不同的芯片制造商的技术库不同。为了让学生在掌握主流EDA工具使用的同时对版图设计流程有准确、深入的理解，安排针对无锡上华公司0.6um两层多晶硅两层金属（DoublePolyDoubleMetal）混合信号CMOS工艺的一系列实验让学生掌握包括从电路图的建立、版图建立与编辑、电学规则检查（ERC），设计规则检查（DRC）、到电路图-版图一致性检查（LVS）的完整的版图设计流程[5]。通过完整的基于设计流程的版图实验使学生能较好地掌握电路设计工具Composer、版图设计工具VirtuosoLayoutEditor以及版图验证工具Dracula和Diva的使用，同时对版图设计的关键步骤形成清晰的认识。

以下以CMOS与非门为例，介绍基于一个完整的数字版图设计流程的教学实例。

在CMOS与非门的版图设计中，首先要求学生建立设计库和技术库，在技术库中加载CSMC0.6um的工艺的技术文件，将设计库与技术库进行关联。然后在设计库中用Composer中建立相应的电路原理图（schematic），进行ERC检查。再根据电路原理图用VirtuosoLayoutEditor工具绘制对应的版图（layout）。版图绘制步骤依次为MOS晶体管的有源区、多晶硅栅极、MOS管源区和漏区的接触孔、P+注入、N阱、N阱接触、N+注入、衬底接触、金属连线、电源线、地线、输入及输出。基本的版图绘制完成之后，将输入、输出端口以及电源线和地线的名称标注于版图的适当位置处，再在Dracula工具中利用几何设计规则文件进行DRC验证。然后利用GDS版图数据与电路图网表进行版图与原理图一致性检查（LVS），修改其中的错误并按最小面积优化版图，最后版图全部通过检查，设计完成。图1和图2分别给出了CMOS与非门的原理图和版图。

三、结束语

集成电路版图设计教学是电子科学与技术专业和相关电类专业培养应用型集成电路人才的重要环节，使学生巩固了集成电路电路原理、工艺和器件等理论知识，掌握了集成电路版图设计流程、方法和主流的EDA版图工具的使用，提高了学生的工程实践能力，同时培养了学生分析问题、解决问题的能力。随着集成电路飞速发展到纳米工艺，版图相关的新技术和设计规则不断涌现。因此，在今后的教学改革工作中，与时俱进，围绕先进的实际设计案例将课堂教学和设计应用紧密结合，构建集成电路版图设计的教学和实践体系，具有重要的意义。

参考文献：

[1]毛剑波，汪涛，张天畅.微电子专业集成电路版图设计的教学研究[J].中国电力教育，2012，（23）：52-53.

[2]陆学斌.集成电路版图设计[M].北京：北京大学出版社，2012.

[3]DanClein.CMOS集成电路版图――概念、方法与工具[M].北京：电子工业出版社，2006.

集成电路的原理范文

电视机是1种比较繁杂的家用电子产品,对于电视机的检验不但需要理解系统的专业基础知识,和对于这些专业知识的灵便运用,还要有熟练的操作技巧。可以说,电视机的维修进程是动脑与动手的亲密配合,是理论与实践的高度统1。提高电视机检验技巧,可以从下面几个方面着手。

1、要具备比较扎实的理论基础

掌握电视机的电路理论知识无比首要,这是进行电路故障分析的基础,没有这个基础,所有的分析、推断都不可能真正展开,而只是胡乱的猜测。对于于掌握电视机的理论,首先是掌握电路的原理框图,其次是熟记电路原理图,理解其工作原理,工作进程。掌握电视机原理框图,就是熟记电视机由电源、高频头电路、小信号处理电路、音频处理电路、行场扫描电路、CPU节制电路等组成,理解各部份之间的工作瓜葛。熟记电路原理框图,可以匡助咱们从总体上掌控电路的工作原理,匡助咱们看懂具体的电路原理图,即便是1些比较目生的、不好理解的局部电路,如果咱们从电路原理框图的角度,了解到此电路应当属于哪1部份,那末咱们在分析此电路时,就会在1个规模内进行假定、分析、推断,这就不易呈现偏差。

其次,要熟记电路原理图,这个熟记,要在理解电路工作原理、工作进程的基础长进行熟记。看电路原理图,首先要总体地看,粗略地看,结合电路原理框图来看。(1)、将原理框图中的每一个框图与电路原理图中对于应的电路找出来,再把每一部份电路的核心元件找出来。(2)、将各部份电路由开关电源、2次电源患上到的直流供电路线在电路原理图上标出来,由于所有的电子电路都离不开直流电源的供电。(3)、将信号的变化流程在电路原理图上标出来。如电视信号从天线输入到高频头,混频后变为固定中频信号输出,再送到小信号处理电路,变为R、G、B3基色信号,送到示放管放大显示图象;此外,再将声音信号送到音频功放电路等。又如,从碟机送入来的视频、音频信号,又怎么经由转换开关以后再显示图象以及声音。(4)、将各种失电压、电压太高或者电流过大所引发的维护的进程标出来。如行管击穿致使的短路,束电流过大,和+B电压升高,集成块破坏所引发的维护。(5)、将CPU接管面板按键信号或者遥控信号所引发的反映流程标出来。如选台,关机,调理音量,调理亮度、颜色,静音,和无信号则自动关机等等。看懂了上面这些内容,那末咱们对于电视机的工作进程已经经是心中有数了。再看细的方面,比如电视机中的集成块的每一个管脚的功能,工作时电压的大小,其外接电路的作用等;每一部份分立元件电路原理图中各个元件的参数,作用;如电视机中的行鼓励、行输出电路中每一个元件的作用等。这些都需要多查资料,多看书才能够掌握。但识读电路不是1个1步到位的事情,而是要不断读,反复读,这是1个认识不断深化的进程。

2、看懂电路板

看懂电路板也是进行电路检验的基础工夫,具体的电路板要比电路原理图要繁杂良多,主要是元器件的摆放没有甚么规律,那些铜箔线弯曲折曲等等,但又必需要看懂电路板,否则在具体操作时就不知从何处下手。要看懂电路板,实质就是将电路原理图中的每一1个元器件在电路板中对于应的位置找出来。怎么识读电路板呢?首先,对于电视电机路板的总体布局要了解。比如说,电源部份支配在电路板的左上角,行扫描部份支配在左下角,即大电流大电压部份的电路就靠患上比较近。高频头部份电路支配在右下角,这样1方面利便外部天线的接入,另外一方面也阔别了大电流的电源电路以及行电路,以免比较弱的电视信号遭到干扰。又如遥控器接管头支配在面板左近,这也使患上处理遥控信号、面板信号的CPU支配在电路板上面且适度靠右面。小信号处理集成电路也支配在高频头左近等等。了解这些规律,有助于咱们识读电路板。其次,识读电路板也要由粗到细,又总体到局部。先将每一部份电路中的症结器件,容易识别的器件找出来,以肯定此部份电路的大概位置。比如开关电源部份的开关管、滤波电容、开关变压器、变压器次级整流2极管等;行扫描电路的行管、逆程电容、高压包、行鼓励3极管、行鼓励变压器;高频头、小信号处理集成块、CPU集成块等等。这些器件都很容易找出来,找出来后对于应电路的位置也就大至肯定了;再将每一部份电路中的那些辅助元器件找出来,这不是很难题的事情,由于每一部份电路的元器件仍是比较集中在1起的,它们就在那些症结元器件左近。此外,它们仍是有标号的,如电源部份的电阻,用R五一一、R五一二、R五一三表示等等。最后,将那些直流电源的供电、信号流程变化所触及经由的症结点,元器件的管脚在电路板上找出来。查找电路板的症结,仍是熟记电路原理图。

3、进行电路的试验