CMOS数字集成电路设计+集成电路静态时序分析与建模+CMOS集成电路后端设计与实战3本书

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店铺: 义博图书专营店
出版社: 机械工业出版社
ISBN:bm036154
商品编码:10523771528

具体描述

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集成电路静态时序分析与建模

定价:  ¥79.00 作者: 
  • I S B N :978-7-111-53777-9
  • 条码书号:9787111537779
  • 上架日期:2016-7-7
  • 出版日期:2016-7-1
  • 版       次:1-1
  • 出 版 社:
  • 丛 书 名: 
  • 页     数:312    

由于芯片尺寸的减小、集成度密集化的增强、电路设计复杂度的增加、电路性能要求的提高等因素,对芯片内的时序分析提出了更高的要求。静态时序分析是大规模集成电路设计中非常重要的一个环节,它能验证设计在时序上的正确性,并决定设计是否能够在要求的工作频率下运行。本书由集成电路设计专业论坛www.icdream.com站长刘峰编著,共11章,基于广度和深度两个方面来阐述整个CMOS集成电路静态时序分析流程与时序建模技术,并通过实践案例对技术应用进行更深入的讲解,使初学者在静态时序分析与建模两方面得到理论与实战的双重提高。本书适合作为微电子与集成电路相关专业的研究生、本科生、职业技术类学生的教材和教辅书,也可作为电子、自控、通信、计算机类工程技术人员学习使用集成电路设计软件和进修集成电路设计的专业技术参考书与工具书。

目 录

前 言

第1章 引论  1

1.1 集成电路发展史简介  1

1.2 国内集成电路的发展现状  2

1.3 国际集成电路的发展态势  4

1.4 静态时序分析技术  4

1.4.1 静态时序分析简介  4

1.4.2 静态时序分析背景  4

1.4.3 静态时序分析的优缺点  5

1.5 主流静态时序分析与建模工具介绍  6

第2章 静态时序分析的基础知识  9

2.1 逻辑门单元  9

2.2 门单元的时序计算参数  10

2.3 时序单元相关约束  12

2.4 时序路径  14

2.5 时钟特性  17

2.6 时序弧  19

2.7 PVT环境  24

2.8 时序计算单位  28

第3章 单元库时序模型  29

3.1 基本时序模型简介  29

3.2 Synopsys工艺库模型  33

3.3 延时计算模型  38

3.4 互连线计算模型  45

3.4.1 互连线计算模型  45

3.4.2 线负载时序模型  47

3.5 引脚电容值的计算  49

3.6 功耗模型的计算  50

3.7 时序信息建模基本方法  51

第4章 时序信息库文件  54

4.1 非线性延时模型  54

4.1.1 库组  54

4.1.2 因子  57

4.1.3 输入电压组  59

4.1.4 输出电压组  59

4.1.5 功耗查找表模板组  59

4.1.6 操作条件组  60

4.1.7 线负载组  60

4.1.8 延时查找表模板组  61

4.1.9 单元组  62

4.1.10 引脚组  64

4.1.11 触发器组  67

4.1.12 逻辑状态表组  68

4.1.13 电源引脚组  69

4.1.14 延时组  69

4.1.15 单元上拉延时组  70

4.1.16 单元下拉延时组  71

4.1.17 上拉转换组  71

4.1.18 下拉转换组  72

4.1.19 上拉约束组  72

4.1.20 下拉约束组  73

4.1.21 内部功耗组  73

4.1.22 哑阈漏流功耗组  74

4.2 复合电流源延时模型  75

4.2.1 输出电流查找表模板组  75

4.2.2 输出上拉电流组  75

4.2.3 输出下拉电流组  76

4.2.4 向量组  76

4.2.5 接收电容组  77

第5章 静态时序分析的基本方法  79

5.1 时序图  79

5.2 时序分析策略  80

5.3 时序路径延时计算方法  81

5.4 时序路径的分析方法  83

5.5 时序路径分析模式  88

5.5.1 单一分析模式  90

5.5.2-分析模式  91

5.5.3 芯片变化相关分析模式  94

5.6 时序减免  96

5.7 其他芯片变化相关分析模式  98

5.8 时钟路径悲观移除  103

5.9 时序优化  105

第6章 时序约束  107

6.1 时钟约束  107

6.1.1 创建时钟  107

6.1.2 生成时钟  111

6.1.3 虚拟时钟  114

6.1.4 小时钟脉宽  116

6.2 I/O延时约束  117

6.3 I/O环境建模约束  119

6.4 时序例外  121

6.5 恒定状态约束  125

6.6 屏蔽时序弧  126

6.7 时序设计规则约束  127

第7章 串扰噪声  129

7.1 噪声的定义  129

7.2 噪声的来源  130

7.3 噪声恶化的原因  133

7.4 噪声的体现形式  134

7.5 噪声相互作用形式  135

7.6 NLDM噪声模型的计算  136

7.7 噪声延时计算方法  141

7.8 时间窗口  143

7.9 优化噪声的物理方法  145

7.10 CCS噪声模型  148

第8章 单元时序建模实战  153

8.1 时序信息提取实现  153

8.1.1 时序信息特征化实现流程  153

8.1.2 时序信息特征化数据准备  154

8.1.3 标准单元时序信息提取  158

8.2 SiliconSmart工具的使用流程简介  162

8.3 时序信息提取内容  163

第9章 静态时序分析实战(ETS篇)  170

9.1 静态时序分析的基本流程  170

9.2 建立静态时序分析的工作环境  171

9.3 静态时序分析实现  174

9.3.1 建立时间分析  174

9.3.2 保持时间分析  192

9.3.3 时序设计规则分析  201

9.3.4 时序违反复  204

第10章 Tcl脚本编程  207

10.1 Tcl语法  207

10.1.1 命令格式  207

10.1.2 替换  209

10.1.3 双引号和花括号  211

10.1.4 注释  211

10.2 数据结构  212

10.2.1 简单变量  212

10.2.2 数组  212

10.3 表达式  212

10.3.1 操作数  213

10.3.2 运算符和优先级  213

10.3.3 数学函数  214

10.3.4 列表集合  215

10.4 控制流  219

10.4.1 if命令  219

10.4.2 循环命令  220

10.5 eval命令  223

10.6 source命令  223

10.7 过程  223

10.7.1 过程定义和返回值  224

10.7.2 局部变量和全局变量  224

10.7.3 默认参数和可变个数参数  225

10.8 引用  226

10.9 字符串操作  228

10.10 文件访问  234

10.10.1 文件名  234

10.10.2 基本文件输入/输出命令  234

第11章 Tcl脚本编程应用实例(PT篇)  237

11.1 get_failing_paths_high_slew  237

11.2 get_interclock_skew  241

11.3 report_unclocked  244

11.4 get_buffers  248

11.5 get_ports_edge_sense  255

11.6 report_clock_endpoint_skew  260

11.7 report_violations  264

11.8 eco_fix_violations  271

附录  290

参考文献313

CMOS集成电路后端设计与实战

定价:  ¥69.00 作者: 
  • I S B N :978-7-111-51440-4
  • 条码书号:9787111514404
  • 上架日期:2015-9-25
  • 出版日期:2015-9-1
  • 版       次:1-1
  • 出 版 社:
  • 丛 书 名: 

本书详细介绍整个后端设计流程,分为概述、全定制设计、半定制设计、时序分析四大部分。本书同时基于广度和深度两个方面来阐述整个CMOS集成电路后端设计流程与设计技术,并通过实战案例进行更深入地技术应用讲解,使集成电路后端设计初学者同时得到理论与实战两方面的双重提高。

目 录

前言

第1章    引论  1

1.1 集成电路发展史简介  1

1.2 国内集成电路发展现状  2

1.3 国际集成电路发展趋势  4

第2章    集成电路后端设计方法  5

2.1 集成电路后端设计  5

2.2 后端全定制设计方法  5

2.2.1 后端全定制设计流程介绍  6

2.2.2 主流后端全定制设计工具介绍  6

2.2.3 后端全定制设计小结  13

2.3 后端半定制设计方法  13

2.3.1 后端半定制设计流程介绍  13

2.3.2 主流后端半定制设计工具介绍  14

2.3.3 后端半定制设计小结  21

一部分 后端全定制设计及实战

第3章    后端全定制设计之标准单元设计技术  24

3.1 设计标准单元库的重要性  24

3.2 标准单元设计技术  25

3.2.1 标准单元的基本介绍  25

3.2.2 标准单元的基本类型  27

3.2.3 标准单元库提供的数据  29

3.2.4 标准单元设计参数  29

3.3 标准单元设计流程  39

3.3.1 方案设计  40

3.3.2 标准单元电路及版图设计  43

3.3.3 标准单元库版图和时序信息的提取  45

3.3.4 库模型与库文档生成  47

3.3.5 设计工具流程验证  48

3.3.6 测试电路设计及工艺流片验证  49

3.4 标准单元设计需要的数据  49

3.5 标准单元设计EDA工具  50

第4章    后端全定制设计之标准单元电路设计技术  51

4.1 CMOS工艺数字电路实现结构  51

4.1.1 静态电路实现结构  51

4.1.2 伪NMOS电路实现结构  52

4.1.3 传输管与传输门电路  53

4.1.4 动态电路实现结构  54

4.1.5 高扇入逻辑电路的实现结构  55

4.2 CMOS数字电路优化  60

4.3 标准单元库中几种时序单元介绍  61

4.3.1 C2MOS触发器  62

4.3.2 真单相触发器  62

4.3.3 脉冲触发器  63

4.3.4 数据流触发器  64

第5章    后端全定制设计之标准单元电路设计实战  65

5.1 电路设计流程  65

5.2 时序单元HLFF的电路设计  65

5.2.1 建立库及电路设计环境  65

5.2.2 Vituoso Schematic Composer使用基础  68

5.2.3 时序单元HLFF电路实现  69

5.2.4 时序单元HLFF电路元件的产生  70

5.2.5 时序单元HLFF电路网表输出  71

5.3 时序单元HLFF的电路仿真  72

5.3.1 设置带激励输入的仿真电路图  73

5.3.2 使用Virtuoso Spectre Circuit Simulator进行电路仿真  74

第6章    后端全定制设计之标准单元版图设计技术  80

6.1 基本CMOS工艺流程  80

6.2 基本版图层  82

6.2.1 NMOS/PMOS晶体管的版图实现  83

6.2.2 串联晶体管的版图实现  83

6.2.3 并联晶体管的版图实现  84

6.2.4 CMOS反相器的版图实现  85

6.2.5 缓冲器的版图实现  85

6.2.6 CMOS二输入与非门和或非版图实现  86

6.3 版图设计规则  87

6.4 版图设计中晶体管布局方法  93

6.4.1 基本欧拉路径法  94

6.4.2 欧拉路径法在动态电路中的应用  95

6.4.3 晶体管尺寸对版图的影响  97

6.5 标准单元版图设计的基本指导  97

6.5.1 优化设计标准单元  98

6.5.2 标准单元PIN脚的设计  100

第7章    后端全定制设计之标准单元版图设计实战  104

7.1 版图设计流程  104

7.2 时序单元HLFF版图实现  105

7.2.1 建立项目库及版图设计环境  105

7.2.2 Vituoso Layout Editor使用基础  106

7.2.3 时序单元HLFF版图实现  111

7.2.4 时序单元HLFF版图GDS输出  115

7.3 版图设计规则检查  116

7.3.1 执行版图设计规则检查  116

7.3.2 基于版图设计规则结果的调试  119

7.4 版图与电路等价性检查  120

7.4.1 执行版图与电路等价性检查  120

7.4.2 基于版图与电路等价性检查结果的调试  124

7.5 版图寄生参数提取  126

第8章    后端全定制设计之标准单元特征化技术  129

8.1 标准单元时序模型介绍  129

8.1.1 基本的时序模型归纳  129

8.1.2 时序信息建模方法  130

8.1.3 时序信息文件基本内容  131

8.2 标准单元物理格式LEF介绍  136

8.2.1 LEF文件中重要参数详细说明  136

8.2.2 LEF文件全局设置  139

8.2.3 LEF文件中工艺库物理信息设置  139

8.2.4 LEF文件中单元库物理信息设置  142

8.2.5 LEF对应的图形视图  144

第9章    后端全定制设计之标准单元特征化实战  145

9.1 时序信息提取实现  145

9.1.1 时序信息特征化的实现流程  145

9.1.2 时序信息特征化的数据准备  146

9.1.3 标准单元HLFF的时序信息特征化  149

9.1.4 SiliconSmart工具流程介绍  155

9.2 物理信息抽象化实现  155

9.2.1 物理信息抽象化实现流程  156

9.2.2 建立物理信息抽象化工作环境  156

9.2.3 标准单元HLFF的物理信息抽象化  161

9.2.4 版图抽象化后LEF数据输出  174

第二部分 后端半定制设计及实战

第10章 后端半定制设计之物理实现技术  178

10.1 半定制物理实现工程师应该具备的能力  178

10.2 半定制物理实现流程  179

10.3 半定制物理实现使用的EDA工具  181

10.4 半定制物理实现需要的数据  182

10.5 布局规划  182

10.6 电源规划  188

10.6.1 电压降与电迁移  188

10.6.2 电源规划前的功耗预估方法  193

10.6.3 电源条带的基本设置方法  194

10.6.4 电源环的基本设置方法  197

10.6.5 电源网络分析的基本方法  197

10.7 时钟树的实现  199

10.7.1 常见时钟网络的实现方法  199

10.7.2 时钟树的综合策略  201

10.7.3 时钟树的基本性能参数  202

10.7.4 时钟树的综合流程  205

10.7.5 门控时钟  209

10.7.6 时钟树优化基本指导  210

10.8 布线  214

10.8.1 天线效应  214

10.8.2 串扰噪声  220

10.8.3 数模混合信号线走线的基本方法  224

10.9 ECO  226

第11章 后端半定制设计之Open-SparcT1-FPU布局布线实战  229

11.1 布局布线的基本流程  229

11.2 布局布线工作界面介绍  230

11.3 建立布局布线工作环境  231

11.4 布局布线实现  236

11.4.1 芯片布局  236

11.4.2 电源网络实现  238

11.4.3 自动放置标准单元  244

11.4.4 时钟树综合  247

11.4.5 布线  252

11.4.6 芯片版图完整性实现  256

11.4.7 布局布线数据输出  259

第12章 后端半定制设计之Open-SparcT1-FPU电压降分析实战  262

12.1 电压降分析的基本流程  262

12.2 建立电压降分析的工作环境  262

12.3 电压降分析实现  266

12.3.1 设置电源网格库  266

12.3.2 功耗计算  269

12.3.3 电压降分析  271

第三部分 静态时序分析及实战

第13章 静态时序分析技术  278

13.1 静态时序分析介绍  278

13.1.1 静态时序分析背景  278

13.1.2 静态时序分析优缺点  279

13.2 静态时序分析基本知识  280

13.2.1 CMOS逻辑门单元时序参数  280

13.2.2 时序模型  281

13.2.3 互连线模型  282

13.2.4 时序单元相关约束  283

13.2.5 时序路径  284

13.2.6 时钟特性  287

13.2.7 时序弧  289

13.2.8 PVT环境  292

13.3 串扰噪声  293

13.3.1 串扰噪声恶化原因  293

13.3.2 串扰噪声的体现形式  294

13.3.3 串扰噪声相互作用形式  295

13.3.4 时间窗口  296

13.4 时序约束  298

13.4.1 时钟约束  298

13.4.2 I/O延时约束  308

13.4.3 I/O环境建模约束  309

13.4.4 时序例外  311

13.4.5 恒定状态约束  315

13.4.6 屏蔽时序弧  316

13.4.7 时序设计规则约束  317

13.5 静态时序分析基本方法  318

13.5.1 时序图  318

13.5.2 时序分析策略  320

13.5.3 时序路径延时的计算方法  321

13.5.4 时序路径的分析方法  323

13.5.5 时序路径分析模式  327

第14章 静态时序分析实战  339

14.1 静态时序分析基本流程  339

14.2 建立静态时序分析工作环境  339

14.3 静态时序分析实现  343

14.3.1 建立时间分析  344

14.3.2 保持时间分析  360

14.3.3 时序设计规则分析  369

14.3.4 时序违反修  371

参考文献  374

  图书基本信息
图书名称 CMOS数字集成电路设计
作者 (美)查尔斯.霍金斯(Charles Hawkins)等
定价 69.00元
出版社 机械工业出版社
ISBN 9787111529330
出版日期 2016-04-01
字数 252000
页码 242
版次 1
装帧 平装
开本 16开
商品重量 0.4Kg


   内容简介

本书中文简体字版由IET授权机械工业出版社出版。未经出版者书面许可,不得以任何方式复制或抄袭本书内容。

本书涵盖了CMOS数字集成电路的设计技术,教材的编写采用新颖的讲述方法,并不要求学生已经学习过模拟电子学的知识,有利于教师灵活地安排教学计划。本书完全放弃了涉及双极型器件的内容,只关注数字集成电路的主流工艺——CMOS数字电路设计。书中引入大量的实例,每章后也给出了丰富的习题,使得学生能够将学到的知识与实际结合。本书可作为CMOS数字集成电路的本科教材。


   作者简介


   目录

目 录

出版者的话

译者序



前言

第1章 基本逻辑门和电路原理1

1.1 逻辑门和布尔代数1

1.2 布尔和逻辑门化简3

1.3 时序电路4

1.4 电压和电流定律6

1.4.1 端口电阻的观察法分析6

1.4.2 基尔霍夫电压定律与观察法分析7

1.4.3 基尔霍夫电流定律与观察法分析9

1.4.4 基于观察法的分压器和分流器混合分析10

1.5 电阻的功率消耗11

1.6 电容13

1.6.1 电容器能量与功率14

1.6.2 电容分压器15

1.7 电感16

1.8 二极管非线性电路分析16

1.9 关于功率19

1.10 小结20

习题20

第2章 半导体物理24

2.1 材料基础24

2.1.1 金属、绝缘体和半导体24

2.1.2 半导体中的载流子:电子与空穴25

2.1.3 确定载流子浓度26

2.2 本征半导体和非本征半导体27

2.2.1 n型半导体28

2.2.2 p型半导体29

2.2.3 n型与p型掺杂半导体中的载流子浓度30

2.3 半导体中的载流子输运30

2.3.1 漂移电流31

2.3.2 扩散电流32

2.4 pn结34

2.5 pn结的偏置35

2.5.1 pn结正偏压36

2.5.2 pn结反偏压36

2.6 二极管结电容37

2.7 小结38

参考文献38

习题38

第3章 MOSFET40

3.1 工作原理40

3.1.1 作为数字开关的MOSFET40

3.1.2 MOSFET的物理结构41

3.1.3 MOS晶体管工作原理:一种描述性方法42

3.2 MOSFET输入特性44

3.3 nMOS晶体管的输出特性与电路分析44

3.4 pMOS晶体管的输出特性与电路分析49

3.5 含有源极和漏极电阻的MOSFET53

3.6 MOS晶体管的阈值电压54

3.7 小结55

参考文献56

习题56

第4章 金属互连线性质60

4.1 金属互连线电阻60

4.1.1 电阻和热效应62

4.1.2 薄膜电阻63

4.1.3 通孔电阻64

4.2 电容67

4.2.1 平行板模型67

4.2.2 电容功率68

4.3 电感69

4.3.1 电感电压69

4.3.2 导线电感70

4.3.3 电感功率70

4.4 互连线RC模型71

4.4.1 短线的电容模型71

4.4.2 长线的电阻电容模型72

4.5 小结74

参考文献74

习题74

第5章 CMOS反相器77

5.1 CMOS反相器概述77

5.2 电压转移曲线78

5.3 噪声容限79

5.4 对称电压转移曲线81

5.5 电流转移曲线82

5.6 VTC图形分析83

5.6.1 静态电压转移曲线83

5.6.2 动态电压转移曲线85

5.7 反相器翻转速度模型86

5.8 CMOS反相器功耗88

5.8.1 瞬态功耗88

5.8.2 短路功耗89

5.8.3 静态泄漏功耗91

5.9 功耗与电源电压调整91

5.10 调整反相器缓冲器尺寸以驱动大负载92

5.11 小结94

参考文献94

习题94

第6章 CMOS“与非”门、“或非”门和传输门97

6.1 “与非”门97

6.1.1 电路行为98

6.1.2 “与非”门的非控制逻辑状态98

6.2 “与非”门晶体管尺寸调整100

6.3 “或非”门102

6.3.1 电路行为102

6.3.2 “或非”门的非控制逻辑状态102

6.4 “或非”门晶体管尺寸调整105

6.5 通过门与CMOS传输门108

6.5.1 通过门108

6.5.2 CMOS传输门109

6.5.3 三态逻辑门110

6.6 小结110

习题111

第7章 CMOS电路设计风格115

7.1 布尔代数到晶体管电路图的转换115

7.2 德摩根电路的综合118

7.3 动态CMOS逻辑门120

7.3.1 动态CMOS逻辑门的特性120

7.3.2 动态电路中的电荷共享121

7.4 多米诺CMOS逻辑门123

7.5 NORA CMOS逻辑门125

7.6 通过晶体管逻辑门125

7.7 CMOS传输门逻辑设计127

7.8 功耗及活跃系数128

7.9 小结132

参考文献132

习题132

第8章 时序逻辑门设计与时序137

8.1 CMOS锁存器138

8.1.1 时钟控制的锁存器138

8.1.2 门控锁存器139

8.2 边沿触发的存储元件140

8.2.1 D触发器140

8.2.2 时钟的逻辑状态141

8.2.3 一种三态D触发器设计141

8.3 边沿触发器的时序规则142

8.3.1 时序测量143

8.3.2 违反时序规则的影响144

8.4 D触发器在集成电路中的应用145

8.5 带延时元件的tsu和thold145

8.6 包含置位和复位的边沿触发器147

8.7 时钟生成电路148

8.8 金属互连线寄生效应151

8.9 时钟漂移和抖动151

8.10 芯片设计中的整体系统时序152

8.10.1 时钟周期约束152

8.10.2 时钟周期约束与漂移153

8.10.3 保持时间约束153

8.10.4 考虑漂移和抖动的时钟周期约束154

8.11 时序与环境噪声156

8.12 小结157

参考文献157

习题158

第9章 IC存储器电路163

9.1 存储器电路结构164

9.2 存储器单元165

9.3 存储器译码器166

9.3.1 行译码器166

9.3.2 列译码器167

9.4 读操作168

9.5 读操作的晶体管宽长比调整169

9.6 存储器写操作170

9.6.1 单元写操作170

9.6.2 锁存器转移曲线170

9.7 写操作的晶体管宽长比调整171

9.8 列写电路173

9.9 读操作与灵敏放大器174

9.10 动态存储器177

9.10.1 3晶体管DRAM单元177

9.10.2 1晶体管DRAM单元178

9.11 小结179

参考文献179

习题179

第10章 PLA、CPLD与FPGA181

10.1 一种简单的可编程电路——PLA181

10.1.1 可编程逻辑门182

10.1.2 “与”/“或”门阵列183

10.2 下一步:实现时序电路——CPLD184

10.2.1 引入时序模块——CPLD184

10.2.2 更先进的CPLD186

10.3 先进的可编程逻辑电路——FPGA190

10.3.1 Actel ACT FPGA191

10.3.2 Xilinx Spartan FPGA192

10.3.3 Altera Cyclone Ⅲ FPGA194

10.3.4 如今的FPGA196

10.3.5 利用FPGA工作——设计工具196

10.4 理解编程写入技术196

10.4.1 反熔丝技术196

10.4.2 EEPROM技术198

10.4.3 静态RAM开关技术199

参考文献199

第11章 CMOS电路版图200

11.1 版图和设计规则200

11.2 版图设计方法:布尔方程、晶体管原理图和棒图201

11.3 利用PowerPoint进行电路版图布局202

11.4 设计规则和小间距203

11.5 CMOS反相器的版图布局204

11.5.1 pMOS晶体管的版图204

11.5.2 重温pMOS晶体管版图的设计规则205

11.5.3 nMOS晶体管版图205

11.5.4 将晶体管合并到共同的多晶硅栅下206

11.6 根据设计规则小间距绘制完整的CMOS反相器207

11.7 多输入逻辑门的版图207

11.8 合并逻辑门标准单元版图209

11.9 更多关于版图的内容210

11.10 版图CAD工具211

11.11 小结211

第12章 芯片是如何制作的212

12.1 集成电路制造概览212

12.2 硅晶圆片的制备213

12.3 生产线的前端和后端213

12.4 生产线前端工艺技术214

12.4.1 硅的氧化214

12.4.2 光刻214

12.4.3 蚀刻216

12.4.4 沉积和离子注入216

12.5 清洁和安全性操作217

12.6 晶体管的制造218

12.7 生产线后端工艺技术218

12.7.1 溅射工艺219

12.7.2 双金属镶嵌法(大马士革工艺)219

12.7.3 层间电介质及终钝化220

12.8 CMOS反相器的制造220

12.8.1 前端工艺操作220

12.8.2 后端工艺操作221

12.9 芯片封装221

12.10 集成电路测试222

12.11 小结222

参考文献222

章末偶数编号习题参考答案223

索引228


深入探索集成电路设计与分析的奥秘:从前端到后端的全面解析 在瞬息万变的科技浪潮中,集成电路(Integrated Circuit, IC)作为现代电子设备的核心,其设计、分析与制造过程的精深程度,对整个电子产业的发展起着至关重要的作用。本书系,汇集了多本关于CMOS数字集成电路设计、静态时序分析与建模以及CMOS集成电路后端设计的经典著作,旨在为读者提供一个从概念到实现的全面、深入的学习路径。我们并非仅仅罗列技术名词,而是试图构建一个严谨且富有实践指导意义的知识体系,帮助读者理解和掌握现代集成电路设计中的核心挑战与前沿技术。 第一部分:CMOS数字集成电路设计——奠定坚实的基础 本书系的首要重点,在于打下扎实的CMOS数字集成电路设计基础。CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术凭借其低功耗、高集成度和优异的性能,已成为数字集成电路设计领域的主流技术。深入理解CMOS的设计原理,是后续高级主题学习的基石。 我们将从最基本的CMOS器件模型入手,解析MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的工作原理,包括其电压-电流特性、亚阈值区行为、短沟道效应以及各种寄生参数对器件性能的影响。在此基础上,读者将学习如何利用这些器件构建基本的逻辑门(如NOT, NAND, NOR, XOR等)及其组合逻辑电路,理解其在晶体管层面的实现细节,以及如何权衡速度、功耗和面积等设计指标。 进阶部分将深入探讨时序电路设计,包括D触发器、JK触发器、寄存器、计数器等基本时序单元的设计与分析。我们将详细阐述时钟信号的生成与分配(Clock Tree Synthesis, CTS),以及时钟抖动(Clock Jitter)、时钟偏移(Clock Skew)等对电路时序性能带来的影响。此外,逻辑综合(Logic Synthesis)作为将高层次的RTL(Register Transfer Level)描述转化为门级网表(Netlist)的关键步骤,也将得到详尽的介绍。读者将学习如何使用EDA(Electronic Design Automation)工具进行逻辑综合,理解其背后的优化算法,例如面积优化、时序优化和功耗优化等。 本书系特别强调对实际设计流程的模拟和理解。从行为级建模(如使用Verilog或VHDL描述功能)到逻辑综合,再到静态时序分析(Static Timing Analysis, STA)和物理设计,每一个环节都至关重要。我们不仅会介绍理论知识,更会结合实际案例,展示如何应用这些知识来解决复杂的电路设计问题。对于读者而言,掌握CMOS数字集成电路设计的核心原理,意味着能够理解数字电路的“语言”,并能用这种语言来构建功能强大的集成电路。 第二部分:集成电路静态时序分析与建模——精细化时序控制的艺术 在现代集成电路设计中,时序的精确控制是实现高频率、低功耗和可靠工作的关键。传统的仿真方法难以在短时间内覆盖所有可能的工作模式和工艺角,静态时序分析(STA)应运而生,成为验证电路时序性能不可或缺的手段。本部分内容将深入剖析STA的原理、方法和应用。 我们将首先阐述STA的基本概念,包括时钟周期、建立时间(Setup Time)、保持时间(Hold Time)、传播延迟(Propagation Delay)以及各种时序路径(Timing Path)的定义。读者将学习如何从门级网表中提取时序信息,并利用这些信息来计算时序裕量(Timing Margin)。 STA的核心在于对各种时序约束(Timing Constraints)的处理。本书系将详细介绍如何定义时钟、输入/输出端口的时序约束,以及如何处理多时钟域交互(Multi-Clock Domain Crossing, CDC)等复杂场景。我们将深入探讨工艺、电压和温度(PVT)的角(Process, Voltage, Temperature corners)对时序的影响,以及如何通过PVT角分析来确保电路在各种极端条件下的时序收敛。 建模是STA准确性的重要保障。我们将介绍各种寄生参数提取(Parasitic Extraction)技术,包括LVS(Layout Versus Schematic)和DRC(Design Rule Checking)在物理验证中的作用,以及如何从物理版图中提取电阻和电容信息,并将其用于精确的时序建模。读者将学习如何利用标准的时序模型格式(如lib文件)来描述标准单元(Standard Cells)和IP(Intellectual Property)模块的时序特性,以及如何将这些模型集成到STA流程中。 此外,针对复杂的时序问题,我们将探讨高级STA技术,例如时钟门控(Clock Gating)对时序的影响,如何分析和优化功耗相关的时序问题,以及如何使用STA来辅助设计优化,例如识别关键路径(Critical Path)并指导设计者进行优化。掌握STA,意味着能够从宏观到微观地审视电路的性能,并具备解决时序瓶颈的能力,为后续的后端设计打下坚实的性能基础。 第三部分:CMOS集成电路后端设计与实战——将蓝图变为现实 当数字集成电路的前端设计和时序分析完成后,接下来的挑战是将这些逻辑和时序约束转化为物理上可制造的芯片版图。CMOS集成电路后端设计(Physical Design)是将电路的逻辑功能和时序要求映射到硅片上的关键过程,它直接关系到芯片的最终性能、功耗和良率。本书系将带领读者深入了解后端设计的各个阶段,并结合实战经验,揭示其中的奥秘。 后端设计通常包括布局(Placement)、布线(Routing)和时钟树综合(Clock Tree Synthesis, CTS)等主要阶段。我们将详细介绍布局的策略和算法,包括标准单元的宏单元布局、IP模块的放置,以及如何优化布局以最小化布线长度、减少信号延迟和功耗。读者将理解影响布局质量的关键因素,以及如何使用EDA工具进行有效的布局优化。 布线是将芯片上的所有信号连接起来的过程。我们将深入讲解布线的多层金属层设计、布线拥塞(Routing Congestion)的产生原因和解决策略,以及如何进行优化布线以满足时序要求和减少功耗。读者将了解不同布线算法的优劣,以及如何处理关键信号的布线,例如时钟信号和复位信号。 时钟树综合(CTS)是确保芯片时钟信号稳定、低偏斜地到达所有时序单元的关键步骤。本书系将详细介绍CTS的设计目标、常用算法和优化技术,以及如何平衡时钟延迟、时钟抖动和功耗。我们将深入分析CTS过程中可能遇到的挑战,例如时钟扇出(Clock Fanout)和时钟功率。 除了上述核心阶段,后端设计还涉及物理验证(Physical Verification),包括设计规则检查(DRC)和版图与原理图一致性检查(LVS)。DRC确保版图符合制造工艺的要求,防止出现制造错误;LVS则验证版图逻辑与前端设计生成的逻辑是否一致,防止出现逻辑错误。我们将强调物理验证的重要性,并介绍其在后端设计流程中的作用。 本书系尤其注重实战操作。通过分析实际的后端设计案例,读者将能够理解如何在EDA工具中进行后端设计流程的设置、执行和优化。我们将分享在实际项目中遇到的常见问题及其解决方案,例如如何处理信号完整性(Signal Integrity, SI)和电源完整性(Power Integrity, PI)问题,以及如何优化芯片的功耗和散热。掌握CMOS集成电路后端设计,意味着能够将抽象的逻辑转化为实体,将设计梦想变为可制造的芯片。 总结 本套图书系通过对CMOS数字集成电路设计、静态时序分析与建模以及CMOS集成电路后端设计的深入剖析,为读者构建了一个完整的集成电路设计知识体系。从理解CMOS器件的基本工作原理,到掌握逻辑综合与时序分析的核心技术,再到将设计转化为物理版图的实战经验,每一个环节都环环相扣,共同构成了现代集成电路设计的完整图景。本书系不仅提供了必要的理论基础,更强调了实际操作和问题解决能力。我们期望通过这些内容,能够帮助读者全面掌握集成电路设计的精髓,并在未来的学习和职业生涯中,能够设计出更先进、更高效的集成电路产品,推动电子技术的不断进步。

用户评价

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在CMOS数字集成电路设计的实践过程中,这本书是我不可或缺的“导师”。它不仅仅是提供理论知识,更是通过大量的实际案例和设计流程,让我能够更快地掌握将理论转化为实践的方法。作者在处理逻辑门的设计时,并没有简单地给出几种实现方式,而是深入分析了不同实现方式的优缺点,以及在不同功耗、速度和面积需求下的适用性。他甚至会讨论如何在设计早期就考虑功耗和时序,以及如何通过架构层面的优化来提升整体性能。在我学习组合逻辑和时序逻辑设计时,本书提供了非常丰富的模块库和设计模板,这让我能够站在巨人的肩膀上,快速构建出复杂的数字功能。我尤其喜欢书中关于数据路径和控制路径协同设计的讲解,让我能够清晰地看到在一个完整的系统中,数据是如何流动和处理的,以及控制信号是如何协调这些操作的。在学习有限状态机(FSM)的设计时,本书提供了非常详细的步骤和示例,从状态图的绘制到最终的硬件描述语言(HDL)代码生成,都进行了细致的说明。这让我能够自信地设计出那些能够根据不同状态执行不同操作的复杂逻辑。

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在静态时序分析与建模方面,这本书给我带来的最大启发是“预测性”和“可控性”。它让我明白,在设计过程中,我们不仅仅是“做”,更重要的是“预测”和“控制”。作者在讲解建立时间和保持时间时,并没有仅仅停留在理论层面,而是通过一系列的实验和仿真例子,让我直观地看到了时序违例是如何发生的,以及它对电路功能造成的灾难性后果。他对时钟树延迟、信号传播延迟等概念的细致分析,让我开始意识到,一个电路的时序性能,并非由单个门的延迟决定,而是由整个系统中的时序路径共同决定的。书中对STA工具的介绍和使用方法,也给我带来了巨大的帮助。我过去常常以为,STA只是一个“事后诸葛亮”的检查工具,但通过这本书,我认识到STA实际上是一个“事前预测”和“事中优化”的强大武器。作者详细讲解了如何设置时序约束,如何解读STA报告中的关键信息,以及如何根据这些信息来调整电路设计,从而满足时序要求。他对各种时序分析模式的解释,比如AC(All-Cycle)和POC(Positive-Only Cycle),让我能够更全面地理解时序分析的各个方面。总的来说,这本书让我从一个被动接受时序结果的设计者,转变为一个能够主动预测、控制和优化时序的设计者。

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这本书对我而言,更像是一位经验丰富的老工匠在传授他的秘籍,尤其是关于集成电路静态时序分析与建模的部分。一开始,我以为时序分析会是一堆枯燥的公式和图表,但这本书用一种非常生动的方式,将抽象的时序概念具象化。例如,在讲解建立时间和保持时间时,作者并没有简单地给出定义,而是通过详细的波形图和实际操作场景,让我深刻体会到这些参数对电路稳定运行的重要性。他甚至会列举一些实际设计中常见的时序违例场景,并分析其根源,这对于避免我犯同样的错误非常有帮助。静态时序分析(STA)的部分,是本书的重中之重。作者循序渐进地介绍了时钟域、时序路径、时序约束等基本概念,然后深入讲解了如何使用STA工具来检查这些约束是否满足。我特别喜欢书中对各种STA报告的解读,它详细说明了如何从报告中识别关键路径、违例点,以及如何根据报告信息来优化电路。他甚至会提到一些高级的STA技巧,比如如何处理时钟抖动、延时变化等不确定性因素,这让我看到了STA在实际项目中的深度和广度。模型的部分也同样精彩,作者并没有简单地罗列各种模型,而是从物理层面出发,解释了为什么需要不同的模型,以及这些模型在STA中的作用。他对各种库单元的特性和建模方式的讲解,让我能更好地理解不同厂商提供的库文件,以及如何在设计中使用它们。这本书让我明白,时序分析不仅仅是工具的使用,更是一种思维方式,一种对电路运行过程精细入微的把控能力。

评分

当我翻开这本书,尤其是关于CMOS数字集成电路设计的这部分,我立刻被它那严谨而又富有逻辑的讲解方式所吸引。作者似乎有一种魔力,能够将那些看似复杂的概念,分解成易于理解的逻辑单元。我之前对CMOS器件的理解,可能还停留在教科书上的模型,但这本书通过引入实际的器件特性曲线和对应的仿真结果,让我看到了理论与实践的完美结合。它对于亚阈值区行为的解释,让我更深刻地理解了低功耗设计的挑战和机遇。在逻辑门的设计方面,作者并没有止步于介绍基本门电路的功能,而是深入剖析了CMOS实现这些门电路时的结构特点,以及不同结构带来的性能差异。例如,他详细比较了传输门和多路选择器在不同应用场景下的优劣,这让我能够根据具体需求,选择最适合的设计方案。当我看到书中关于顺序逻辑设计的内容时,我更是感触良多。从D触发器到各种复杂的寄存器结构,作者都给出了非常清晰的电路图和详细的解释,让我能够理解它们是如何存储和传递信息的。他甚至会提到一些高级的时序设计技巧,例如时钟同步设计和异步复位设计,这让我看到了在实际项目中,如何构建更 robust 的时序系统。

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这本书的实战性是我最看重的一点,它就像一个详尽的“操作手册”,手把手教你如何将理论知识转化为实际的芯片设计。它并没有回避实际工程中会遇到的种种挑战,而是直面问题,并提供切实可行的解决方案。从版图绘制的细节到物理验证的注意事项,这本书几乎覆盖了CMOS集成电路后端设计的全过程。我尤其喜欢它在版图设计部分提供的详细指导。从单元库的实例化到布线策略的制定,作者都给出了清晰的步骤和实用的建议。例如,在讲解电源和地线的布线时,它不仅强调了低阻抗的重要性,还给出了具体的版图结构和布线技巧,以确保信号的完整性和器件的可靠性。书中的物理验证部分更是让我受益匪浅。寄生参数提取、设计规则检查(DRC)、版图与原理图一致性检查(LVS)等关键环节,都被详细地阐述了其目的、方法和常见问题。作者通过分析实际的DRC和LVS报错信息,教会我如何快速定位问题并进行修复,这大大缩短了我从设计到可制造性之间的摸索时间。我还特别欣赏它对功耗和热效应的考虑。在后端设计阶段,如何有效地管理功耗并散热,是影响芯片性能和可靠性的重要因素。这本书就提供了许多在版图层面进行功耗优化的方法,例如门控时钟、低功耗工艺的使用等,这让我意识到后端设计绝不仅仅是“画图”,而是需要综合考虑各种物理效应。

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这本书的开篇便以一种非常务实的方式,直接切入了CMOS数字集成电路设计的核心。作者并没有花费过多的篇幅去渲染集成电路发展的历史或是宏大的未来愿景,而是聚焦于最基础、最实用的设计理念和流程。我尤其欣赏它对CMOS器件物理特性的讲解,虽然不是直接的晶体管手册,但它以一种易于理解的方式,将亚阈值区、沟道调制效应等关键概念与实际电路行为联系起来,这让我这个初学者不再是死记硬背理论,而是能更深入地理解为什么某些电路结构会表现出特定的性能。接下来的逻辑门设计部分,更是把理论付诸实践的绝佳范例。从最简单的反相器到复杂的逻辑组合,书中详细阐述了如何权衡面积、速度和功耗,并提供了大量的设计技巧和优化方法。例如,在讲解CMOS传输门时,作者不仅给出了电路图,还深入分析了其导通电阻、电容负载以及在不同电压下的行为,这对于我理解其优缺点和适用场景至关重要。后续的顺序逻辑设计,如触发器、寄存器等,也同样遵循了这种“理论+实践+分析”的模式,让我能够清晰地看到如何将组合逻辑构建成具有记忆功能的时序电路。书中对电路图的绘制和标注也十分清晰,配合详细的文字说明,即使是复杂的电路块,我也能一步步地将其分解理解。最让我惊喜的是,它并没有止步于单个模块的设计,而是开始探讨如何将这些模块有机地组合成一个完整的系统,以及在系统层面上需要考虑的各种问题,例如时钟树的构建、复位信号的设计等。这让我对整个CMOS数字集成电路设计的宏观框架有了更清晰的认识,不再是零散的知识点堆砌,而是一个有机的整体。

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这本书在讲解CMOS数字集成电路设计时,给我最大的感受就是它的“结构性”和“系统性”。它不仅仅是罗列出各种电路模块,而是从最底层的逻辑门出发,逐步构建起更复杂的组合逻辑和时序逻辑,最终形成一个完整的数字系统。作者在处理逻辑门的设计时,并没有停留在简单的AND、OR、NOT等逻辑功能上,而是深入分析了CMOS实现这些逻辑门的具体结构,例如NMOS和PMOS的连接方式,以及由此产生的传播延迟、静态功耗等特性。他甚至会讨论不同的逻辑风格,比如静态逻辑、动态逻辑,以及它们的优缺点,这让我能够根据实际需求做出更明智的选择。接下来的章节,关于组合逻辑和时序逻辑的设计,更是将这些基本逻辑门巧妙地组合起来,形成了强大的计算和存储能力。我特别喜欢它对数据通路和控制通路的设计讲解,清晰地展示了在一个数字系统中,数据是如何流动和处理的,以及控制信号是如何协调这些操作的。书中对有限状态机(FSM)的设计也进行了详细的阐述,从状态编码到状态转移图的绘制,再到最终的电路实现,都给出了清晰的步骤和实例,这让我能够更好地理解和设计那些需要根据不同状态执行不同操作的复杂逻辑。总而言之,这本书让我看到了一个宏大的图景,即如何从微小的晶体管构建出能够执行各种复杂任务的数字电路。

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CMOS集成电路后端设计与实战这本书,为我打开了一扇通往“芯片制造”的大门。在阅读之前,我可能觉得后端设计只是工程师在电脑上画图,但读完之后,我才真正体会到它背后蕴含的精妙和复杂。作者在版图设计部分,将看似静态的电路图,赋予了“生命力”。他对晶体管的版图结构,以及如何合理地布局和连接它们,都进行了深入的讲解。我特别注意到他对于电迁移(Electromigration)的讨论,以及如何在版图设计中采取措施来避免这一问题,这让我看到了后端设计在保证芯片长期可靠性方面的重要性。在布线方面,本书提供了大量实用技巧,例如如何进行抗串扰的布线,如何优化线宽和线间距以满足工艺要求。我甚至还从书中学习到了如何使用自动化布线工具,并如何对其进行后处理,以达到最佳的布线效果。物理验证部分,更是将设计者和制造者之间的“沟通桥梁”搭建起来。DRC和LVS不再是令人头疼的错误提示,而是变成了帮助我优化设计的“指南针”。作者详细分析了各种常见错误的原因和解决方案,让我能够更有效地发现和修复设计中的缺陷。

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关于集成电路静态时序分析与建模,这本书的讲解方式,让我感觉像是在与一位经验丰富的设计师一起工作,他会时刻提醒我“时间就是金钱,时间就是功能”。作者在引入建立时间和保持时间的概念时,并没有直接给出定义,而是通过一个生动的小故事,让我深刻体会到这些参数的重要性。他会用形象的比喻来解释时钟抖动和相位误差,让我不再觉得这些是抽象的数学概念,而是真实影响电路行为的因素。在STA部分,我尤其欣赏他对“时序路径”的详细剖析。他不仅仅是简单地列出各种路径,而是会分析每条路径上的延迟构成,以及如何通过优化器件、优化布局和布线来缩短延迟。书中对“时序约束”的讲解,更是让我认识到,STA并非是随意进行的,而是需要事先设定明确的目标。作者给出了非常全面的约束设置指南,从基本的时钟定义到复杂的时钟组定义,都进行了详细的说明。我甚至还从书中学习到了如何处理多时钟域系统中的时序问题,这对于我未来的项目设计将非常有帮助。总而言之,这本书让我从一个只关注功能实现的设计者,变成了一个同时关注功能和时序的全面型设计者。

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CMOS集成电路后端设计与实战这本书,对我来说,更像是一本“实践指导手册”,它将那些理论上的“高大上”的概念,转化成了可以触摸、可以实现的具体操作。我一直以为版图设计只是简单的“画线”,但这本书让我看到了它背后蕴含的深厚物理原理和工程智慧。作者在讲解版图布局时,不仅仅是给出了一个“好看”的版图,而是深入分析了如何根据电路的功能、性能要求以及工艺限制,来做出最优的布局决策。他对电源和地线网络的构建,更是让我印象深刻。他详细解释了为什么需要多条电源和地线,如何合理地连接它们,以及如何通过版图结构来降低电阻和提高供电的稳定性,这些细节对于我理解一个可靠的芯片设计至关重要。在布线方面,本书同样提供了大量的实用技巧,例如如何处理信号线的交叉、如何优化布线长度以减少延迟,以及如何进行抗串扰的布线。我特别喜欢他对于物理验证的讲解,DRC和LVS不再是令人生畏的错误信息,而是变成了指引我改进设计的“导航仪”。通过对这些验证报告的深入分析,我能够发现设计中的潜在问题,并及时进行修正,这大大提高了我的设计效率和最终的芯片良率。

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