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美查尔斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111529330

商品编码：29692850941

包装：平装

出版时间：2016-04-01

基本信息

书名:CMOS数字集成电路设计

定价：69.00元

售价：46.9元,便宜22.1元,折扣67

作者:(美)查尔斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

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。

目录

目　　录

出版者的话

译者序

序

前言

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

0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

1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

2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

作者介绍

文摘

序言

《晶体管世界：集成电路的基石》 内容简介： 《晶体管世界：集成电路的基石》并非一本深入剖析CMOS数字集成电路设计的教科书，而是旨在为读者描绘一个更宏观、更基础的电子世界图景。本书将带领读者走进微观的半导体器件层面，探寻构成现代电子产品心脏——集成电路——的最基本单元。我们将抛开复杂的设计流程与电路图，聚焦于那些微小却至关重要的“晶体管”本身，揭示它们如何从基础物理原理出发，一步步演变成我们今天所熟知的电子世界的基石。 本书的旅程始于对材料科学和量子力学的简要回顾，以建立对半导体材料特性的直观理解。我们将解释为何硅等半导体材料拥有如此独特的电学性质，以及掺杂技术如何改变它们的导电能力，为晶体管的诞生奠定物质基础。读者将了解PN结的形成，这是理解一切半导体器件的起点，以及它在导通和截止状态下的电荷流动机制。 接着，本书将详细介绍几种最基础、最具代表性的晶体管类型。我们不会直接跳入MOSFET的复杂结构，而是从更早期的结型场效应晶体管（JFET）和双极结型晶体管（BJT）入手。通过对JFET和BJT的剖析，读者可以清晰地看到电场效应和电流控制效应是如何被巧妙地利用来放大或开关电信号的。我们会深入讲解这些器件的结构、工作原理、电学特性曲线，以及它们各自的优缺点和应用场景。理解了JFET和BJT，读者将能更好地把握后续接触到更复杂的MOSFET时，其核心思想和演进脉络。 本书的重点之一将放在场效应晶体管（FET）的演进上。我们会详细介绍金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的基本结构，包括栅极、源极、漏极和衬底。读者将深入理解MOSFET的几种主要工作模式，如阈值电压、亚阈值区和强反型区，以及栅电压如何通过感应电荷来控制沟道电导。我们将探讨P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的差异，以及它们在实际应用中的配合。 为了让读者对器件的物理行为有更深刻的认识，本书将适当地引入一些简化的物理模型和数学描述。然而，这些模型将侧重于概念的直观理解，而非复杂的推导过程。例如，我们会用类比的方式解释电场如何穿过氧化层来调制半导体内的电荷，以及载流子在沟道中的漂移和扩散。读者将学习到如何从器件的I-V特性曲线上解读其关键参数，例如跨导、阈值电压和漏-源电阻。 除了单个晶体管之外，本书还将初步探讨晶体管如何组合起来实现更复杂的功能。我们将简要介绍一些基础的逻辑门电路，例如NOT门、AND门、OR门，以及它们是如何利用晶体管的开关特性来实现逻辑功能的。这部分内容将为读者建立起“晶体管是构建逻辑电路的基本砖块”的认知，但不会深入到复杂的数字逻辑设计，如时序电路、状态机等。 本书的一大特色是，它将着重强调晶体管的“物理”和“工程”之间的联系。我们会讨论不同材料、不同制造工艺对晶体管性能的影响，例如沟道长度调制效应、短沟道效应、热效应等。读者将了解到，一个看似简单的晶体管，背后凝聚了多少材料科学、化学、物理学和工程学的智慧。我们还会简要提及晶体管的封装和可靠性问题，这是从芯片到可用产品必不可少的环节。 为了增强可读性和趣味性，本书将穿插大量历史上重要的晶体管发明和发展故事。从肖克利、巴丁和布拉顿发明点接触晶体管的传奇，到MOSFET的出现如何开启了微电子革命，这些历史性的时刻将帮助读者更好地理解技术演进的逻辑和驱动力。我们会介绍一些在特定历史时期扮演重要角色的晶体管类型，以及它们如何为后续技术的出现铺平道路。 《晶体管世界：集成电路的基石》并非一本“如何做”的书，而是一本“为什么”和“是什么”的书。它旨在为那些对电子世界充满好奇，但又不想被复杂的工程细节所困扰的读者提供一个清晰、深入的视角。无论您是电子工程专业的学生，还是对科技发展感兴趣的普通读者，本书都将为您打开一扇理解现代科技背后微观世界的大门。它将帮助您在看到智能手机、电脑、甚至更先进的机器人时，不再仅仅惊叹于其功能，而是能对其核心的、由亿万微小晶体管构成的“大脑”有更深刻的认识和敬意。本书将是您探索广阔的集成电路领域的坚实起点，它为您提供的是知识的根基，而非精密的蓝图。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，初次接触这本书时，对其广博的知识面感到有些敬畏。它不仅仅覆盖了数字电路设计的核心，更巧妙地将版图设计、可靠性工程等周边关键领域也纳入了体系。这种跨学科的整合，恰恰是当前行业对复合型人才的迫切需求所在。书中关于版图对寄生参数影响的论述，让我深刻认识到软件仿真与实际流片之间存在的巨大鸿沟，以及如何通过优化的版图布局来弥补这一差距。例如，对ESD保护电路的介绍，详略得当，既讲解了原理，也给出了业界常用的设计规则。这本书的阅读过程，更像是一次系统的、由浅入深的专业技能重塑。它不仅仅是提供了一套工具箱，更重要的是，它塑造了一种严谨的、基于物理规律的工程思维模式，这种思维模式是任何自动化工具都无法替代的宝贵财富。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计着实让人眼前一亮，那种深邃的蓝色调，配上简约的几何图形，立刻就给人一种专业且严谨的感觉。拿到书时，沉甸甸的分量也让人对手头的知识储备充满了期待。我本来就对模拟电路设计有着浓厚的兴趣，尤其是那些将理论与实践完美结合的案例分析，总能让我茅塞顿开。这本书的排版非常清晰，图文并茂的讲解方式，让复杂的概念变得触手可及。特别是书中对那些经典电路拓扑的剖析，深度和广度都拿捏得恰到好处，完全不是那种浅尝辄止的入门读物。比如，它对跨导放大器设计中非线性失真的处理，不仅仅是给出了公式，更是结合实际工艺参数，一步步推导出了优化方案，这种实战导向的叙述风格，极大地提高了我的学习效率。光是研究其中关于低噪声放大器设计的那几章，我就感觉自己的设计思维被提升到了一个新的高度。我尤其欣赏作者在介绍最新技术趋势时所展现出的洞察力，比如对新兴的低功耗设计技术如何应对当前物联网应用需求的独到见解，这让我看到了未来几年行业发展的风向标。

评分☆☆☆☆☆

这本书的文字风格非常“硬核”，毫不拖泥带水，直击要害。阅读过程中，我常常需要放慢速度，反复咀嚼那些技术细节。与其他同类书籍相比，它最大的优势在于对底层物理原理的深入挖掘。它没有满足于停留在“怎么做”的层面，而是深入探讨了“为什么会这样”的根本原因。例如，在讲解晶体管噪声模型时，作者没有回避那些看似晦涩的数学推导，反而将其作为理解噪声源和优化设计目标的关键路径。这种对基础扎实的态度，对于想成为资深工程师的人来说，是无可替代的财富。我曾遇到一个棘手的电源完整性问题，翻阅此书后，书中关于片上电感的寄生效应分析，为我指明了方向，让我最终找到了系统级问题的根源。书中的习题设计也极具挑战性，它们往往不是简单的数值计算，而是要求读者综合运用多个章节的知识来解决一个小型设计任务，极大地锻炼了独立解决复杂工程问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

对于一个习惯于依赖网络资源学习的工程师来说，能沉下心来啃完这样一本大部头，实属不易。这本书的价值在于它的“完备性”和“一致性”。网络上的零散资料往往存在相互矛盾或版本更新滞后的问题，而这本书提供了一个统一的、经过时间检验的理论框架。我特别喜欢它在讨论静态和动态特性时所采用的统一建模方法，这使得不同电路模块之间的参数转换和性能评估变得更加顺畅。比如，当我在评估一个高速缓冲器设计时，书中关于互连线延迟和串扰分析的部分，提供了非常量化的评估标准，这比那些仅凭经验判断的方法要可靠得多。这本书的内容深度，使得即便是已经工作多年的资深工程师，也能从中找到新的启发点，尤其是在系统集成和接口设计方面，它提供的宏观视角，有助于我们跳出具体电路的细节，从整个SoC的层面去优化设计。

评分☆☆☆☆☆

我是在一个非常紧迫的项目周期内接触到这本书的，当时需要快速理解并实现一套高性能的ADC接口电路。说实话，我当时的状态是既焦虑又迷茫，直到我翻开了这本书的ADC章节。作者对流水线型ADC误差校正机制的讲解，简直是教科书级别的清晰！他不仅详尽描述了各个级之间的匹配误差如何累积，还提供了多种补偿算法的性能对比和适用场景分析。这种结构化的知识呈现方式，极大地减轻了我的认知负担。阅读体验上，虽然技术内容密集，但作者通过巧妙地使用图表和流程图，将复杂的系统分解成了易于理解的模块。这就像拿到了一份精密的蓝图，让你能清晰地看到每一个部分是如何协同工作的。这本书的实用价值在于，它不仅仅是知识的堆砌，更是经验的沉淀，让你在面对实际电路验证时，能预判到潜在的陷阱，从而少走很多弯路。