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第一章 概述1

1.1 集成电路的发展历程1

1.1.1 半导体集成电路的出现与发展1

1.1.2 集成电路发展的特点2

1.2 集成电路设计要求4

1.2.1 关于速度4

1.2.2 关于功耗5

1.2.3 关于价格7

1.3 集成电路的分类8

1.3.1 按功能分类8

1.3.2 按结构形式和材料分类8

1.3.3 按有源器件和工艺类型分类9

1.3.4 按集成电路的规模分类9

1.3.5 按生产目的和实现方法分类10

1.4 集成电路设计方法13

1.4.1 现代集成电路产业特点—设计与加工分离14

1.4.2 多项目晶圆计划15

1.4.3 集成电路设计者必备的知识与条件15

1.4.4 EDA设计工具的选择18

思考题与习题19

第二章 CMOS集成电路制造工艺基础及版图设计规则20

2.1 集成电路材料20

2.1.1 导体在集成电路制造工艺中的功能20

2.1.2 绝缘体在集成电路制造工艺中的功能20

2.1.3 半导体在集成电路制造工艺中的功能21

2.2 基本的半导体制造工艺21

2.2.1 单晶硅和多晶硅21

2.2.2 氧化工艺22

2.2.3 掺杂工艺23

2.2.4 掩模（mask）的制版工艺23

2.2.5 光刻工艺24

2.2.6 金属化工艺25

2.3 CMOS工艺基础25

2.3.1 自对准技术和标准硅栅工艺26

2.3.2 P阱CMOS工艺简介27

2.3.3 双阱工艺及SOI CMOS工艺简介30

2.4 版图设计规则31

2.4.1 版图设计规则的作用31

2.4.2 版图设计规则的描述32

2.5 版图设计中的注意事项38

2.5.1 匹配设计38

2.5.2 抗干扰设计39

2.6 版图检查39

2.6.1 设计规则检查39

2.6.2 电学规则检查40

2.6.3 版图参数提取40

2.6.4 电路图与版图一致性对照检查40

思考题与习题40

第三章 CMOS集成电路工艺中的元器件42

3.1 MOS管的结构及符号42

3.1.1 NMOS管的简化结构42

3.1.2 N阱及PMOS43

3.1.3 MOS管符号44

3.2 MOS管的电流电压特性44

3.2.1 MOS管的转移特性44

3.2.2 MOS管的输出特性45

3.2.3 MOS管的电流方程46

3.2.4 MOS管的输出电阻49

3.2.5 MOS管的跨导gm49

3.2.6 体效应与背栅跨导50

3.2.7 场效应管亚阈区特性51

3.2.8 沟道尺寸W、L对阈值电压和特征频率的影响51

3.3 集成电容52

3.3.1 多晶硅-扩散区电容53

3.3.2 多晶硅-多晶硅电容54

3.3.3 MOS电容—栅极与沟道之间的电容Cch54

3.3.4“夹心”电容55

3.3.5 MOS管的极间电容和寄生电容56

3.4 集成电阻56

3.4.1 方块电阻的概念56

3.4.2 多晶硅电阻57

3.4.3 N-P阱电阻58

3.4.4 MOS管电阻58

3.4.5 导线电阻58

3.4.6 拐弯电阻计算59

3.5 集成电感60

3.6 连线60

3.7 MOS管的Spice模型参数61

思考题与习题63

第四章 CMOS数字集成电路设计基础65

4.1 MOS开关及CMOS传输门65

4.1.1 单管MOS开关65

4.1.2 CMOS传输门67

4.2 CMOS反相器69

4.2.1 CMOS反相器电路69

4.2.2 CMOS反相器功耗69

4.2.3 CMOS反相器的直流传输特性71

4.2.4 CMOS反相器的噪声容限73

4.2.5 CMOS反相器的门延迟、级联以及互连线产生的延迟75

4.3 全互补CMOS集成电路81

4.3.1 CMOS与非门设计82

4.3.2 CMOS或非门设计84

4.3.3 CMOS与或非门和或与非门设计85

4.3.4 CMOS三态门和钟控CMOS逻辑电路88

4.3.5 CMOS异或门设计89

4.3.6 CMOS同或门设计90

4.3.7 CMOS数据选择器91

4.3.8 布尔函数逻辑—传输门的又一应用91

4.3.9 CMOS全加器92

4.4 改进的CMOS逻辑电路94

4.4.1 伪NMOS逻辑电路94

4.4.2 动态CMOS逻辑电路（预充电CMOS电路）97

4.4.3 多米诺逻辑99

4.4.4 流水线逻辑和无竞争技术102

4.5 移位寄存器、锁存器、触发器、I/O单元105

4.5.1 移位寄存器105

4.5.2 锁存器106

4.5.3 触发器108

4.5.4 通用I/O单元110

思考题与习题111

第五章 CMOS数字集成电路系统设计118

5.1 二进制加法器118

5.1.1 1位加法器—半加器与全加器118

5.1.2 n位并行加法器121

5.2 桶形移位器132

5.3 算术逻辑单元136

5.4 二进制数乘法器140

5.4.1 二进制数乘法运算140

5.4.2 无符号二进制数乘法器142

5.4.3 有符号二进制数乘法器149

5.4.4 部分积的产生方法152

5.5 片上系统（SoC）的设计156

5.5.1 片上系统（SoC）的结构形式157

5.5.2 片上系统（SoC）的设计方法158

思考题与习题168

第六章 模拟集成电路设计基础169

6.1 引言169

6.2 MOS电流源及CMOS运算放大器170

6.2.1 MOS电流源170

6.2.2 CMOS运算放大器173

6.3 D/A转换器184

6.3.1 D/A转换器原理及技术指标185

6.3.2 D/A转换器电路举例187

6.4 A/D转换器&.200

6.4.1 A/D转换器的原理、指标及特性200

6.4.2 A/D转换器的分类及应用202

6.4.3 A/D转换器电路举例202

思考题与习题216

第七章 硬件描述语言简介220

7.1 VHDL简介220

7.1.1 VHDL概述220

7.1.2 VHDL程序的基本结构224

7.1.3 VHDL的数据类型及运算操作符231

7.1.4 VHDL构造体的描述方式237

7.1.5 VHDL的主要描述语句239

7.1.6 基本逻辑电路设计与逻辑综合247

7.2 Verilog HDL简介260

7.2.1 Verilog HDL概述260

7.2.2 Verilog HDL中的模块及描述方式262

7.2.3 Verilog HDL的数据类型及运算符264

7.2.4 Verilog HDL的主要描述语句271

7.2.5 基本逻辑电路设计288

7.2.6 Verilog HDL仿真与综合294

思考题与习题294

第八章 数字集成电路的测试与可测性设计296

8.1 概述296

8.1.1 测试与模拟296

8.1.2 测试过程297

8.1.3 可测性设计298

8.1.4 故障检测与故障诊断298

8.2 批量生产的测试方法298

8.2.1 故障的后果299

8.2.2 决定测试方法的因素299

8.3 测试的概念299

8.3.1 初始化299

8.3.2 故障与故障模型299

8.3.3 可控制性与可观察性300

8.3.4 可控制性对可观察性的影响300

8.4 测试码生成300

8.4.1 单路径敏化法301

8.4.2 D算法303

8.5 故障模拟310

8.5.1 串行故障模拟311

8.5.2 并行故障模拟311

8.5.3 并发故障模拟312

8.6 可测性设计法313

8.6.1 特设法313

8.6.2 扫描路径法314

8.6.3 内设自测试法316

8.6.4 边界扫描法324

思考题与习题329

第九章 常用集成电路设计软件简介及实验330

9.1 ModelSim仿真环境330

9.1.1 ModelSim仿真环境简介331

9.1.2 菜单栏和工具栏介绍332

9.1.3 ModelSim的功能仿真333

9.1.4 基于工程的ModelSim前仿真341

9.1.5 ModelSim的后仿真348

9.2 Tanner使用指南353

9.2.1 概述353

9.2.2 原理图绘制S-Edit354

9.2.3 版图设计L-Edit368

9.2.4 版图设计实验376

9.3 Cadence EDA软件的使用379

9.3.1 启动Cadence EDA软件379

9.3.2 建立设计库381

9.3.3 使用Composer软件包绘制电路原理图382

9.3.4 生成电路符号图385

9.3.5 使用Hspice软件包对设计进行仿真—Pre Simulation387

9.3.6 使用Virtuoso软件包进行全定制版图设计391

9.3.7 设计规则检查—DRC（Design Rule Check）392

9.3.8 版图参数的提取及版图与原理图的对比（LVS-Layout Versus Schematic）393

9.3.9 布局/布线后仿真（post Layout Simulation）398

9.3.10 生成CIF格式的版图数据并提交生产厂家（MOSIS）398

思考题与习题399

参考文献401