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(
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