集成电路原理：抽象层次

1、抽象层次系统System有时候可以是架构设计（Architecture）模块Module有可称微结构设计（Microarchitecture）门/逻辑(Gate)逻辑设计（Logic）电路（Circuit）（Transistor ）器件/物理（Device/Physical）Layout/MaskRabaey，pp 7, Weste，pp 26， SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL1静态CMOS1. CMOS反相器逻辑电路图版图棒图 2. CMOS门逻辑开关模型电路图、门逻辑与棒图估算面积 SYSU-SPE

2、, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL2数字？模拟？去哪儿？许多年来，发明一种电路系列、给它起一个三个或四个字母的缩写名字并把它发表在IEEE的固态电路期刊（Journal of Solid-State Circuits）上似乎就奠定了申请博士学位的基础。这一密集的研究使电路系但其中只有极少部分能获得商业应用列的种类激增。今天，甚至少数几个曾经采用过的电路系列也已大部分被放弃而改用静态CMOS电路，因为CMOS电路的鲁棒性好，性能也相当好，并且具有最快的设计周期和调试时间。电路创新已转向回报较高的领域，如低电压存储器、高速I/

3、O、锁相环，以及模拟电路和射频电路等。Weste & Harris，CMOS超大规模集成电路设计（第四版）315页SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL3Background反相器:最基本的CMOSVDDInOutGND逻辑电路版图棒图SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL4电平和摆幅的概念二进制数字逻辑只有高个低的两个电平VOHVOLVSW高逻辑电平低逻辑电平逻辑（信号）摆幅SYSU-SPE, Hui Chen, 2014.

4、Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL5反相器: 电压传输特性(VTC)VinVoutVOLVOLVOHVOHVMVout= VinVout=f (Vin)VinVout额定高电压 VOH=f (VOL)额定低电压 VOL=f (VOH)门阈值电压： VM=f (VM)注意: 区分门的阈值电压与晶体管的阈值/截止电压VthSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL6反相器: 电路图和版图PMOS和NMOS的栅极接输入PMOS和NMOS的漏极相连PMOS和NMOS的源极分别接DC和地P

5、MOSPolySiliconN WellContactsMetal1VDDGNDNMOSInOutVDDPMOSNMOSInOutGNDgsddsgSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL7反相器: 几种棒图关键要分清多晶删、金属线、P扩散（源/漏）、N扩散（源/漏）、接触的表示方法，尝试画几次便可熟练掌握多晶栅Poly金属Metal1P扩散 p diffN扩散 n diff接触 contactSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND L

6、L8反相器: 截面图重点，必考！要求会画截面图VDDAYGNDSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL9VDDAYGNDSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL10反相器: 联系截面图与电路图先了解各种接触结MP+MPP+PMP+PMN+MNN+NMN+NPNMPIMNIPNIMPINMNIP参考半导体物理能带图！肖特基结单向导电欧姆接触双向导电同型结双向欧姆同型结双向PN结正偏MIS电容无沟道MIS反型PN结反偏耗尽弱正偏弱反偏S

7、YSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL11P-typeN-type反相器:截面图到电路图见证如何从截面图到电路图！(依据接触类型)SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL12反相器:截面图到电路图二者完美的联系SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL13外加技能: 区分NMOS和PMOS记住NMOS是N沟道，N扩散，P为底（反型变N）箭头的标记就是和P

8、N结一样的SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL14反相器: 版图到截面图(沿虚线砍!)SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL15SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL16反相器: 版图到工艺(层层叠罗汉)工艺: 井SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL17SYS

9、U-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL18工艺: 栅SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL19工艺: 源漏SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL20工艺: 接触反相器: 版图到棒图棒图更为简化，忽略物理尺寸，重视拓扑结构尺寸由设计规则所限制、定义。根据定义，可进行初期面积估算SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF

10、, ZYD, ZJX, ZJW AND LL21注意:不同颜色的棒子属于不同层，相交不表示连接SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL22反相器: 版图到棒图SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL23反相器: 版图到棒图接触: 由表示不同层之间的通孔接触6 轨道SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL24反相器: 棒图模块化两级反相器: 电路图，版图

11、，棒图PMOSNMOSInOutSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL25开关模型: NMOS & PMOSSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL26开关模型: 从电路图中分析VDD1OutGND1VDD0OutGND1VDD1OutGND0VDD0OutGND001ZXSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL27开关模型: 分析反相器VDD1Ou

12、tGND1VDD0OutGND0VDDInOutGNDSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL28特点：共栅输入，0或1反相器特性概括电压摆幅与电源电压相当无比（ratioless）逻辑【电路】低输出阻抗高输入电阻无静态电流开关模型输入高电平，PMOS开，NMOS闭，输出低输入低电平，NMOS开，PMOS闭，输出高摆幅完全由DC决定（输出要么VDD，要么VGND）VDDVin=VDDVoutRnVDDVin= 0VoutRpSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD,

13、 ZJX, ZJW AND LL29特性1: 输出低阻抗稳态从输出看总有一端形成通路连接的是源漏间的沟道所以输出端口看到低阻抗低输出阻抗具有对噪声和干扰不敏感特性典型值：kVDDVin=VDDVoutRnVDDVin= 0VoutRpSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL30MOS管的栅绝缘从输入看直流无法进入稳态输入电流为0理论上，单个反相器可以驱动无数个门（无穷扇出，infinite fan-out）实际上，多扇出瞬态特性变差时延响应Iipgs=0Iings=0Iin=0Vin=finiteRin= SYS

14、U-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL31特性2: 输入高阻抗糟糕的非反相缓冲基本不会出现在CMOS电路中SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL32开关模型: 下拉 & 上拉NMOS适合下拉网络，PMOS适合上拉NMOS 强0PMOS 强1SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL33开关模型: 上拉 & 下拉的四种状态组合其中当输入相同（同时为1或0）时

15、只出现0，1同时关断的高阻或浮空（Z）情况是有用的但同时导通时的竞争产生电平不确定（X）情况是应当避免的01zx上拉关断上拉导通下拉关断Z1下拉导通0XSYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL34要点这是个静态电路（没有时钟）静态的相应可以用开关模型分析分析后CMOS完成反相器功能具有一定的开关特性SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL35开关模型: 分析电路ABY00011011注意: 电路图中相交的两条线默认不连接只有交点上有

16、圆点的才表示连接SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL36真值表显示其为与非门ABY001011101110SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL37开关模型: 分析电路回顾: 德摩根（DeMorgan）定理SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL38输出非0即1导通互补规则上拉网络是下拉网络的互补上串须下并，上并须下串德摩根定理以及Bubble

17、push并联串联与或SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL39德摩根定理: 与非门注意可以通过上拉或下拉单独确定逻辑而且上拉和下拉网络始终导通互补SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL40德摩根定理: 或非门小结CMOS电路中上拉网络和下拉网络互补下拉网络为NMOS，可以直接表示逻辑上拉网络为PMOS，是NMOS的互补逻辑互补表示：输入由于开关特性是互补的结构由于串并关系是互补的满足互补后，他们的漏极输出永远一样和反相器的特性一

18、模一样所以，我们可以从这里开始构建其他逻辑SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL41复合门设计: 从逻辑式到电路图先考虑下拉网络与或非22，AOI22SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL42SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL43复合门设计: 从逻辑式到电路图根据互补原则画出上拉网络注: 逻辑功能已实现，但效能待改进（第六章讨论）SYSU-S

19、PE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL44复合门设计: 从逻辑式到电路图(全过程)OOAI22的棒图SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL45复合门设计: 电路图到棒图8每金属(扩散)线轨没有考虑优化晶体管尺寸SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL46四输入NOR门的棒图复合门设计: 电路图到棒图SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edite

20、d by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL47OAI21的棒图复合门设计: 电路图到棒图依据电路图和棒图尝试构建真值表尝试估算面积SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL48复合门设计: 电路图到棒图更复杂的逻辑小结我们从反相器开始利用开关模型研究逻辑利用电路图构建截面图利用截面图构建版图利用版图构建棒图我们把反相器的互补特性扩展到静态组合逻辑所有的从上到下再从下到上都演练一遍我们还没有开始考虑停留在开关模型，可以说是0阶的模型没有考虑MOS的器件特性，一阶模型，二阶模型没有考虑尺寸SYSU-S

21、PE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL49棒图与面积估算SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL50回顾棒图: 层间默认连接SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL51表明拓扑结构和物理特性NMOS，PMOS看多晶和扩散的重叠，接触看有没交叉没有实际尺寸（但可估算）通过估算Metal1的距离多晶栅Poly金属Metal1P扩散 p diffN扩散 n diff接

22、触 contactNMOSPMOS不连接接触连接SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL52回顾棒图: 规则SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL53回顾棒图: 其他形式表达估算面积: Metal1的间距和节距Pitch版图的面积通常由金属导线决定布线通道为能布置一条导线并满足间距要求的空间导线宽度4，相邻间距4导线节距8最小的mos刚好可以在中间通过计算布线通道的个数估算高度和宽度SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL54SYSU-SPE, Hui Chen, 2014. Edited by ZHF, ZYD, ZJX, ZJW AND LL55估算面积: 例子注意: 这只是估算，但在设计初期已经能获得很多的信息了SYSU-SPE, Hui Chen, 2014