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1、主讲教师:刘政林 童乔凌,第1章概述,硬件描述语言和数字系统设计,2,主要内容：,1.1 模拟信号与数字信号的区别与联系 1.2 集成电路发展历史 1.3 数字集成电路设计工艺相关 1.4 CMOS基本逻辑门,3,1.1 模拟信号与数字信号的区别与联系,知识点：1.1.1 模拟手机与数字手机1.1.2 模拟电视与数字电视,4,1.1.1 模拟手机与数字手机,模拟手机 即“大哥大”。在香港一些警匪片中，黑社会资格较老的成员一般称为“大哥”而头头、老板之类则称为“大哥大”。由于这些“大哥大”常手拿“移动电话”在屏幕上出现，所以人们便把“移动电话”叫“大哥大”。,图 1 大哥大,5,那时的大哥大，要
2、卖到1万多，用的人很少，使用大哥大，是有钱人的象征。站在路边打个电话，很风光！,图 2 大哥大使用情况,6,1.1.1 模拟手机与数字手机,图 3 大哥大和数字手机对比,7,模拟手机是用电流的强弱来模拟声音音调的高低。模拟信号在长距离传输和多次加工放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失，声音失真或信号中断。这样的模拟手机要建设很多的通讯塔来保护信号。而数字手机就用数字0和1的不同组合的数字串来代表声音，这样使声音失真少信号强。如：GSM(2G)、GPRS(2代半)、CDMA（3G）、下一代手机,8,思考：iPod、iPad与iPhone,问题：1，它们有什么区别？2，它们主要是数字
3、电路还是模拟电路？3，根据大家专业所学或所了解的，你认为它们是如何设计实现出来的？,9,iPad与iPhone,10,iPad与iPhone,11,iPad与iPhone,12,iPad,13,iPad,14,iPhone,15,iPhone,16,思考：iPod、iPad与iPhone,问题：1，它们有什么区别？2，从电路上看，它们主要是数字电路还是模拟电路？3，根据大家专业所学或所了解的，你认为它们是如何设计实现出来的？提示：iPod 是数码播放器，包括mp3、mp4等Nano、shuffle、video；iPhone 是手机，功能齐全；iPad 是平板电脑。,17,1.1.2 模拟电视与
4、数字电视,2001年10月，广电总局明确提出:到2005年我国有线数字电视用户超过3000万户；2010年全面实现数字广播电视；2015年停止模拟广播电视的播出。,18,模拟电视：图象信号的产生、传输、处理到接收机的复原，整个过程几乎都是在模拟体制下完成的。其特点是采用时间轴取样，每帧在垂直方向取样，以幅度调制方式传送电视图象信号。为降低频带，同时避开人眼对图象重现的敏感频率，将1帧图象又分成奇、偶两场扫描。加上20世纪六、七十年代期间，确定模拟电视主要技术参数时，其相关理论和技术的缺陷，使传统的模拟电视存在易受干扰、色度畸变、亮色串扰、行串扰、行蠕动、大面积闪烁、清晰度低和临场感弱等缺点。在
5、模拟领域，无论怎样更新、改进硬件结构，电视所应有的功能和声像质量还远没有达到，不足以使其全面地发生根本性的变革。,19,数字电视：严格地说就是从信源开始，将图象画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编码成多位数码，再经过高效的信源压缩编码和前向纠错、交织与调制等信道编码后，以非常高的比特率进行数码流发射、传输和接收的系统工程。在接收端的显像管和扬声器的输入端，得到的是模拟图象信号（高质量图象）和模拟音频信号（环绕立体声或丽音效果）。数字电视能带来高质量的画面，功能更加丰富，高质量的音效，丰富多彩的电视节目，还具备交互性和通信功能。,20,1.2 集成电路发展历史,知识点：1.2.1 集
6、成电路工艺发展情况1.2.2 常见集成电路制造厂(Foundry)情况,21,1.2.1 集成电路工艺发展情况,图4 1947年第一个晶体管,22,1970s 出现 nMOS 晶体管 便宜但是 静态下也消耗功率 于是,出现CMOS 具有低静态功耗,23,Intel CPU早期,图5 Intel 1101 256-bit SRAM,图6 Intel 4004 4-bit mProc,24,图7 Intel奔腾CPU早期,25,Pentium 4“Northwood”Commercial Production:Year 2001L=0.13m 6ML Cu Low-kFC-PGA2,图8 Inte
7、l PIV,26,9 yrs?+2 yrs delay?,We are here,When does this happen?,图9 多晶硅工艺发展情况,27,图10 0.20m Geometry/SMIC 0.13m,28,图11 未来工艺MEMS 1/2The worlds smallest guitar is 10 micrometers long,29,图12 未来工艺MEMS 2/2,30,图13 eDRAM(embedded DRAM)存储工艺,31,摩尔定律,1965年，英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出来。其内容是指IC上可容纳的晶体管数目，
8、约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。,Integration LevelsSSI:Small-scale Integration,Gates 10004.VLSI:Very Large-scale Integration,Gates1000005.SoC:Million Gate,Software&Hardware.,32,1.2.2 集成电路常见FOUNDRY厂,SMICTSMCUMC1ST SILICON英特尔Fab 68工厂(90nm 300mm/12英寸),33,图14 中芯国际Foundry厂 1/12,34,图15 中芯国际Foundry厂 2/12,35,图16 中芯国
9、际Foundry厂 3/12,36,图17 中芯国际Foundry厂 4/12,37,图18 中芯国际Foundry厂 5/12,38,图19 中芯国际Foundry厂 6/12,39,图20 中芯国际Foundry厂 7/12,40,图21 中芯国际Foundry厂 8/12,41,图22 中芯国际Foundry厂 9/12,42,图23 中芯国际Foundry厂 10/12,43,图24 中芯国际Foundry厂 11/12,44,图25 中芯国际Foundry厂 12/12,45,1.3 数字集成电路设计工艺相关,知识点：1.3.1 半导体掺杂与PN结1.3.2 nMOS，pMOS与等效
10、开关模型,46,1.3.1 半导体掺杂与PN结,杂质半导体:1)N型半导体：硅(Silicon)+五价元素(如磷)，利用自由电子导电。2)P型半导体：硅(Silicon)+三价元素(如硼)，利用空穴导电。,图26 半导体掺杂,47,PN结：一种在P型半导体和N型半导体之间形成二极管的结。PN结中电流的方向是单向的。,图27 PN结,48,1.3.2 nMOS pMOS与等效开关模型,nMOS晶体管:1.四个端子：栅极、源极、漏极、衬底。2.栅-氧-衬底堆叠像电容结构一样-栅极和衬底是导体-氧化层是很好的绝缘体-称为金属氧化半导体(MOS)电容-栅极不一定用金属制作,49,a）nMOS栅极为低电
11、平的时候,nMOS操作:衬底一般拉到地栅极为低电平时-P型衬底为低-源衬和漏衬二极管处于关断态-没有电流，晶体管处于关断态,50,nMOS截止,VgsVTHIds=0VTH：阈值电压,图28 nMOS截止,51,b）nMOS栅极为高电平的时候,栅极为高电平时:-正电荷聚集在MOS电容的栅极-负电荷被拉到衬底-在栅极下面形成反型沟道(n型沟道)-现在，电流可以从源极通过沟道流向漏极，晶体管处于导通状态。,52,nMOS导通,Vgs VTH,图29 nMOS导通,53,等效开关模型,MOS管（nMOS、pMOS）是电压控制开关，在栅极的电压控制源漏之间的通道,图30 MOS开关模型,54,1.4
12、CMOS基本逻辑门,知识点：1.4.1 CMOS反向器1.4.2 CMOS与非门1.4.3 CMOS或非门1.4.4 CMOS传输门1.4.5 例题,55,1.4.1 CMOS反向器一,图31 CMOS反向器 1/3,56,CMOS反向器二,图32 CMOS反向器 2/3,57,CMOS反向器三,图33 CMOS反向器 3/3,58,1.4.2 CMOS两输入与非门一,图34 CMOS与非门 1/6,59,CMOS两输入与非门二,图35 CMOS与非门 2/6,60,CMOS两输入与非门三,图36 CMOS与非门 3/6,61,CMOS两输入与非门四,图37 CMOS与非门 4/6,62,CM
13、OS两输入与非门五,图38 CMOS与非门 5/6,63,CMOS三输入与非门,如果所有的输入端为“1”，则输出端Y为“0”如果任何输入端为“0”，在输出Y为“1”,图39 CMOS与非门 6/6,64,1.4.3 CMOS两输入或非门,图40 CMOS或非门,65,1.4.4 CMOS传输门一,传输门:nMOS开关和pMOS开关相连而成。EN_L和EN应该是互补的。当nMOS和pMOS同时处于开状态，传输门两端的电阻非常小。,66,CMOS传输门二,传输门是组成D触发器的一个重要器件，它是控制D触发器边沿触发的核心电路。应用于D触发器的传输门，其栅极接时钟信号，且N管、P管上的时钟信号互补。
14、,67,1.4.5 例题 练习1：说出右边电路的逻辑,68,练习2：说出下面电路逻辑,69,练习2：答案,70,练习3：,画出2路选择器门电路图。（威盛VIA）,71,练习3：答案,2选1 MUX符号：gate 图：,72,4 总结：CMOS logic gates,静态CMOS：1.nMOS 下拉网络2.pMOS 上拉网络,总结:nMOS下拉网络、pMOS上拉网络,华中科技大学远程教学,64,74,第一次作业,1.画出p-bulk n-well CMOS 反向器的cross-section图（剖面图）。2.用CMOS基本逻辑门实现异或（两输入），写出其表达式、真值表，并画出schematic
15、电路原理图。,75,课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目1,1.please show the CMOS inverter schmatic,layout and its cross section with P-well process.Plot its transfer curve(Vout-Vin)And also explain the operation region of PMOS and NMOS for each segment of the transfer curve?（威盛）,76,课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目2,2.用MOS管搭出一个二输入与非门。（扬智电子
16、）3.please draw the transistor level schematic of a cmos 2 input AND gate and explain which input has faster response for output rising edge.(less delay time)。（威盛）,77,课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目3,4.画出NOT,NAND,NOR的符号，真值表，还有transistor level的电路。（Infineon）,78,课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目4,5.用一个二选一mux和一个inv实现异或。（飞利浦大唐）6.画出Y=A*B+C的cmos电路图。（科广）7.用cmos基本逻辑门实现ab+cd。（飞利浦大唐）8.画出CMOS电路的晶体管级电路图，实现Y=A*B+C(D+E)。（仕兰微电子）,79,课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目5,9.给出一个简单的由多个NOT,NAND,NOR组成的原理图，根据输入波形画出各点波形。（Infineon）10.用与非门等设计全加法器。（华为）11.给出两个门电路让你分析异同。（华为）,
