CMOS數字集成電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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美查爾斯.霍金斯Charles Hawkins等 著

圖書標籤:

• CMOS
• 數字電路
• 集成電路設計
• VLSI
• 半導體
• 電子學
• 模擬電路
• 電路設計
• 低功耗
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店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111529330

商品編碼：29692850941

包裝：平裝

齣版時間：2016-04-01

基本信息

書名:CMOS數字集成電路設計

定價：69.00元

售價：46.9元,便宜22.1元,摺扣67

作者:(美)查爾斯.霍金斯(Charles Hawkins)等

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2016-04-01

ISBN：9787111529330

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

內容提要

本書中文簡體字版由IET授權機械工業齣版社齣版。未經齣版者書麵許可，不得以任何方式復製或抄襲本書內容。

本書涵蓋瞭CMOS數字集成電路的設計技術，教材的編寫采用新穎的講述方法，並不要求學生已經學習過模擬電子學的知識，有利於教師靈活地安排教學計劃。本書完全放棄瞭涉及雙極型器件的內容，隻關注數字集成電路的主流工藝——CMOS數字電路設計。書中引入大量的實例，每章後也給齣瞭豐富的習題，使得學生能夠將學到的知識與實際結閤。本書可作為CMOS數字集成電路的本科教材。

目錄

目　　錄

齣版者的話

譯者序

序

前言

章　基本邏輯門和電路原理1

　1.1　邏輯門和布爾代數1

　1.2　布爾和邏輯門化簡3

　1.3　時序電路4

　1.4　電壓和電流定律6

　　1.4.1　端口電阻的觀察法分析6

　　1.4.2　基爾霍夫電壓定律與觀察法分析7

　　1.4.3　基爾霍夫電流定律與觀察法分析9

　　1.4.4　基於觀察法的分壓器和分流器混閤分析10

　1.5　電阻的功率消耗11

　1.6　電容13

　　1.6.1　電容器能量與功率14

　　1.6.2　電容分壓器15

　1.7　電感16

　1.8　二極管非綫性電路分析16

　1.9　關於功率19

　1.10　小結20

　習題20

第2章　半導體物理24

　2.1　材料基礎24

　　2.1.1　金屬、絕緣體和半導體24

　　2.1.2　半導體中的載流子：電子與空穴25

　　2.1.3　確定載流子濃度26

　2.2　本徵半導體和非本徵半導體27

　　2.2.1　n型半導體28

　　2.2.2　p型半導體29

　　2.2.3　n型與p型摻雜半導體中的載流子濃度30

　2.3　半導體中的載流子輸運30

　　2.3.1　漂移電流31

　　2.3.2　擴散電流32

　2.4　pn結34

　2.5　pn結的偏置35

　　2.5.1　pn結正偏壓36

　　2.5.2　pn結反偏壓36

　2.6　二極管結電容37

　2.7　小結38

　參考文獻38

　習題38

第3章　MOSFET40

　3.1　工作原理40

　　3.1.1　作為數字開關的MOSFET40

　　3.1.2　MOSFET的物理結構41

　　3.1.3　MOS晶體管工作原理：一種描述性方法42

　3.2　MOSFET輸入特性44

　3.3　nMOS晶體管的輸齣特性與電路分析44

　3.4　pMOS晶體管的輸齣特性與電路分析49

　3.5　含有源極和漏極電阻的MOSFET53

　3.6　MOS晶體管的閾值電壓54

　3.7　小結55

　參考文獻56

　習題56

第4章　金屬互連綫性質60

　4.1　金屬互連綫電阻60

　　4.1.1　電阻和熱效應62

　　4.1.2　薄膜電阻63

　　4.1.3　通孔電阻64

　4.2　電容67

　　4.2.1　平行闆模型67

　　4.2.2　電容功率68

　4.3　電感69

　　4.3.1　電感電壓69

　　4.3.2　導綫電感70

　　4.3.3　電感功率70

　4.4　互連綫RC模型71

　　4.4.1　短綫的電容模型71

　　4.4.2　長綫的電阻電容模型72

　4.5　小結74

　參考文獻74

　習題74

第5章　CMOS反相器77

　5.1　CMOS反相器概述77

　5.2　電壓轉移麯綫78

　5.3　噪聲容限79

　5.4　對稱電壓轉移麯綫81

　5.5　電流轉移麯綫82

　5.6　VTC圖形分析83

　　5.6.1　靜態電壓轉移麯綫83

　　5.6.2　動態電壓轉移麯綫85

　5.7　反相器翻轉速度模型86

　5.8　CMOS反相器功耗88

　　5.8.1　瞬態功耗88

　　5.8.2　短路功耗89

　　5.8.3　靜態泄漏功耗91

　5.9　功耗與電源電壓調整91

　5.10　調整反相器緩衝器尺寸以驅動大負載92

　5.11　小結94

　參考文獻94

　習題94

第6章　CMOS“與非”門、“或非”門和傳輸門97

　6.1　“與非”門97

　　6.1.1　電路行為98

　　6.1.2　“與非”門的非控製邏輯狀態98

　6.2　“與非”門晶體管尺寸調整100

　6.3　“或非”門102

　　6.3.1　電路行為102

　　6.3.2　“或非”門的非控製邏輯狀態102

　6.4　“或非”門晶體管尺寸調整105

　6.5　通過門與CMOS傳輸門108

　　6.5.1　通過門108

　　6.5.2　CMOS傳輸門109

　　6.5.3　三態邏輯門110

　6.6　小結110

　習題111

第7章　CMOS電路設計風格115

　7.1　布爾代數到晶體管電路圖的轉換115

　7.2　德摩根電路的綜閤118

　7.3　動態CMOS邏輯門120

　　7.3.1　動態CMOS邏輯門的特性120

　　7.3.2　動態電路中的電荷共享121

　7.4　多米諾CMOS邏輯門123

　7.5　NORA CMOS邏輯門125

　7.6　通過晶體管邏輯門125

　7.7　CMOS傳輸門邏輯設計127

　7.8　功耗及活躍係數128

　7.9　小結132

　參考文獻132

　習題132

第8章　時序邏輯門設計與時序137

　8.1　CMOS鎖存器138

　　8.1.1　時鍾控製的鎖存器138

　　8.1.2　門控鎖存器139

　8.2　邊沿觸發的存儲元件140

　　8.2.1　D觸發器140

　　8.2.2　時鍾的邏輯狀態141

　　8.2.3　一種三態D觸發器設計141

　8.3　邊沿觸發器的時序規則142

　　8.3.1　時序測量143

　　8.3.2　違反時序規則的影響144

　8.4　D觸發器在集成電路中的應用145

　8.5　帶延時元件的tsu和thold145

　8.6　包含置位和復位的邊沿觸發器147

　8.7　時鍾生成電路148

　8.8　金屬互連綫寄生效應151

　8.9　時鍾漂移和抖動151

　8.10　芯片設計中的整體係統時序152

　　8.10.1　時鍾周期約束152

　　8.10.2　時鍾周期約束與漂移153

　　8.10.3　保持時間約束153

　　8.10.4　考慮漂移和抖動的時鍾周期約束154

　8.11　時序與環境噪聲156

　8.12　小結157

　參考文獻157

　習題158

第9章　IC存儲器電路163

　9.1　存儲器電路結構164

　9.2　存儲器單元165

　9.3　存儲器譯碼器166

　　9.3.1　行譯碼器166

　　9.3.2　列譯碼器167

　9.4　讀操作168

　9.5　讀操作的晶體管寬長比調整169

　9.6　存儲器寫操作170

　　9.6.1　單元寫操作170

　　9.6.2　鎖存器轉移麯綫170

　9.7　寫操作的晶體管寬長比調整171

　9.8　列寫電路173

　9.9　讀操作與靈敏放大器174

　9.10　動態存儲器177

　　9.10.1　3晶體管DRAM單元177

　　9.10.2　1晶體管DRAM單元178

　9.11　小結179

　參考文獻179

　習題179

0章　PLA、CPLD與FPGA181

　10.1　一種簡單的可編程電路——PLA181

　　10.1.1　可編程邏輯門182

　　10.1.2　“與”/“或”門陣列183

　10.2　下一步：實現時序電路——CPLD184

　　10.2.1　引入時序模塊——CPLD184

　　10.2.2　更先進的CPLD186

　10.3　先進的可編程邏輯電路——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——設計工具196

　10.4　理解編程寫入技術196

　　10.4.1　反熔絲技術196

　　10.4.2　EEPROM技術198

　　10.4.3　靜態RAM開關技術199

　參考文獻199

1章　CMOS電路版圖200

　11.1　版圖和設計規則200

　11.2　版圖設計方法：布爾方程、晶體管原理圖和棒圖201

　11.3　利用PowerPoint進行電路版圖布局202

　11.4　設計規則和小間距203

　11.5　CMOS反相器的版圖布局204

　　11.5.1　pMOS晶體管的版圖204

　　11.5.2　重溫pMOS晶體管版圖的設計規則205

　　11.5.3　nMOS晶體管版圖205

　　11.5.4　將晶體管閤並到共同的多晶矽柵下206

　11.6　根據設計規則小間距繪製完整的CMOS反相器207

　11.7　多輸入邏輯門的版圖207

　11.8　閤並邏輯門標準單元版圖209

　11.9　更多關於版圖的內容210

　11.10　版圖CAD工具211

　11.11　小結211

2章　芯片是如何製作的212

　12.1　集成電路製造概覽212

　12.2　矽晶圓片的製備213

　12.3　生産綫的前端和後端213

　12.4　生産綫前端工藝技術214

　　12.4.1　矽的氧化214

　　12.4.2　光刻214

　　12.4.3　蝕刻216

　　12.4.4　沉積和離子注入216

　12.5　清潔和安全性操作217

　12.6　晶體管的製造218

　12.7　生産綫後端工藝技術218

　　12.7.1　濺射工藝219

　　12.7.2　雙金屬鑲嵌法（大馬士革工藝）219

　　12.7.3　層間電介質及終鈍化220

　12.8　CMOS反相器的製造220

　　12.8.1　前端工藝操作220

　　12.8.2　後端工藝操作221

　12.9　芯片封裝221

　12.10　集成電路測試222

　12.11　小結222

　參考文獻222

章末偶數編號習題參考答案223

索引228

作者介紹

文摘

序言

《晶體管世界：集成電路的基石》 內容簡介： 《晶體管世界：集成電路的基石》並非一本深入剖析CMOS數字集成電路設計的教科書，而是旨在為讀者描繪一個更宏觀、更基礎的電子世界圖景。本書將帶領讀者走進微觀的半導體器件層麵，探尋構成現代電子産品心髒——集成電路——的最基本單元。我們將拋開復雜的設計流程與電路圖，聚焦於那些微小卻至關重要的“晶體管”本身，揭示它們如何從基礎物理原理齣發，一步步演變成我們今天所熟知的電子世界的基石。 本書的旅程始於對材料科學和量子力學的簡要迴顧，以建立對半導體材料特性的直觀理解。我們將解釋為何矽等半導體材料擁有如此獨特的電學性質，以及摻雜技術如何改變它們的導電能力，為晶體管的誕生奠定物質基礎。讀者將瞭解PN結的形成，這是理解一切半導體器件的起點，以及它在導通和截止狀態下的電荷流動機製。 接著，本書將詳細介紹幾種最基礎、最具代錶性的晶體管類型。我們不會直接跳入MOSFET的復雜結構，而是從更早期的結型場效應晶體管（JFET）和雙極結型晶體管（BJT）入手。通過對JFET和BJT的剖析，讀者可以清晰地看到電場效應和電流控製效應是如何被巧妙地利用來放大或開關電信號的。我們會深入講解這些器件的結構、工作原理、電學特性麯綫，以及它們各自的優缺點和應用場景。理解瞭JFET和BJT，讀者將能更好地把握後續接觸到更復雜的MOSFET時，其核心思想和演進脈絡。 本書的重點之一將放在場效應晶體管（FET）的演進上。我們會詳細介紹金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）的基本結構，包括柵極、源極、漏極和襯底。讀者將深入理解MOSFET的幾種主要工作模式，如閾值電壓、亞閾值區和強反型區，以及柵電壓如何通過感應電荷來控製溝道電導。我們將探討P溝道MOSFET和N溝道MOSFET的差異，以及它們在實際應用中的配閤。 為瞭讓讀者對器件的物理行為有更深刻的認識，本書將適當地引入一些簡化的物理模型和數學描述。然而，這些模型將側重於概念的直觀理解，而非復雜的推導過程。例如，我們會用類比的方式解釋電場如何穿過氧化層來調製半導體內的電荷，以及載流子在溝道中的漂移和擴散。讀者將學習到如何從器件的I-V特性麯綫上解讀其關鍵參數，例如跨導、閾值電壓和漏-源電阻。 除瞭單個晶體管之外，本書還將初步探討晶體管如何組閤起來實現更復雜的功能。我們將簡要介紹一些基礎的邏輯門電路，例如NOT門、AND門、OR門，以及它們是如何利用晶體管的開關特性來實現邏輯功能的。這部分內容將為讀者建立起“晶體管是構建邏輯電路的基本磚塊”的認知，但不會深入到復雜的數字邏輯設計，如時序電路、狀態機等。 本書的一大特色是，它將著重強調晶體管的“物理”和“工程”之間的聯係。我們會討論不同材料、不同製造工藝對晶體管性能的影響，例如溝道長度調製效應、短溝道效應、熱效應等。讀者將瞭解到，一個看似簡單的晶體管，背後凝聚瞭多少材料科學、化學、物理學和工程學的智慧。我們還會簡要提及晶體管的封裝和可靠性問題，這是從芯片到可用産品必不可少的環節。 為瞭增強可讀性和趣味性，本書將穿插大量曆史上重要的晶體管發明和發展故事。從肖剋利、巴丁和布拉頓發明點接觸晶體管的傳奇，到MOSFET的齣現如何開啓瞭微電子革命，這些曆史性的時刻將幫助讀者更好地理解技術演進的邏輯和驅動力。我們會介紹一些在特定曆史時期扮演重要角色的晶體管類型，以及它們如何為後續技術的齣現鋪平道路。 《晶體管世界：集成電路的基石》並非一本“如何做”的書，而是一本“為什麼”和“是什麼”的書。它旨在為那些對電子世界充滿好奇，但又不想被復雜的工程細節所睏擾的讀者提供一個清晰、深入的視角。無論您是電子工程專業的學生，還是對科技發展感興趣的普通讀者，本書都將為您打開一扇理解現代科技背後微觀世界的大門。它將幫助您在看到智能手機、電腦、甚至更先進的機器人時，不再僅僅驚嘆於其功能，而是能對其核心的、由億萬微小晶體管構成的“大腦”有更深刻的認識和敬意。本書將是您探索廣闊的集成電路領域的堅實起點，它為您提供的是知識的根基，而非精密的藍圖。

評分☆☆☆☆☆

我必須承認，初次接觸這本書時，對其廣博的知識麵感到有些敬畏。它不僅僅覆蓋瞭數字電路設計的核心，更巧妙地將版圖設計、可靠性工程等周邊關鍵領域也納入瞭體係。這種跨學科的整閤，恰恰是當前行業對復閤型人纔的迫切需求所在。書中關於版圖對寄生參數影響的論述，讓我深刻認識到軟件仿真與實際流片之間存在的巨大鴻溝，以及如何通過優化的版圖布局來彌補這一差距。例如，對ESD保護電路的介紹，詳略得當，既講解瞭原理，也給齣瞭業界常用的設計規則。這本書的閱讀過程，更像是一次係統的、由淺入深的專業技能重塑。它不僅僅是提供瞭一套工具箱，更重要的是，它塑造瞭一種嚴謹的、基於物理規律的工程思維模式，這種思維模式是任何自動化工具都無法替代的寶貴財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書的文字風格非常“硬核”，毫不拖泥帶水，直擊要害。閱讀過程中，我常常需要放慢速度，反復咀嚼那些技術細節。與其他同類書籍相比，它最大的優勢在於對底層物理原理的深入挖掘。它沒有滿足於停留在“怎麼做”的層麵，而是深入探討瞭“為什麼會這樣”的根本原因。例如，在講解晶體管噪聲模型時，作者沒有迴避那些看似晦澀的數學推導，反而將其作為理解噪聲源和優化設計目標的關鍵路徑。這種對基礎紮實的態度，對於想成為資深工程師的人來說，是無可替代的財富。我曾遇到一個棘手的電源完整性問題，翻閱此書後，書中關於片上電感的寄生效應分析，為我指明瞭方嚮，讓我最終找到瞭係統級問題的根源。書中的習題設計也極具挑戰性，它們往往不是簡單的數值計算，而是要求讀者綜閤運用多個章節的知識來解決一個小型設計任務，極大地鍛煉瞭獨立解決復雜工程問題的能力。

評分☆☆☆☆☆

對於一個習慣於依賴網絡資源學習的工程師來說，能沉下心來啃完這樣一本大部頭，實屬不易。這本書的價值在於它的“完備性”和“一緻性”。網絡上的零散資料往往存在相互矛盾或版本更新滯後的問題，而這本書提供瞭一個統一的、經過時間檢驗的理論框架。我特彆喜歡它在討論靜態和動態特性時所采用的統一建模方法，這使得不同電路模塊之間的參數轉換和性能評估變得更加順暢。比如，當我在評估一個高速緩衝器設計時，書中關於互連綫延遲和串擾分析的部分，提供瞭非常量化的評估標準，這比那些僅憑經驗判斷的方法要可靠得多。這本書的內容深度，使得即便是已經工作多年的資深工程師，也能從中找到新的啓發點，尤其是在係統集成和接口設計方麵，它提供的宏觀視角，有助於我們跳齣具體電路的細節，從整個SoC的層麵去優化設計。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計著實讓人眼前一亮，那種深邃的藍色調，配上簡約的幾何圖形，立刻就給人一種專業且嚴謹的感覺。拿到書時，沉甸甸的分量也讓人對手頭的知識儲備充滿瞭期待。我本來就對模擬電路設計有著濃厚的興趣，尤其是那些將理論與實踐完美結閤的案例分析，總能讓我茅塞頓開。這本書的排版非常清晰，圖文並茂的講解方式，讓復雜的概念變得觸手可及。特彆是書中對那些經典電路拓撲的剖析，深度和廣度都拿捏得恰到好處，完全不是那種淺嘗輒止的入門讀物。比如，它對跨導放大器設計中非綫性失真的處理，不僅僅是給齣瞭公式，更是結閤實際工藝參數，一步步推導齣瞭優化方案，這種實戰導嚮的敘述風格，極大地提高瞭我的學習效率。光是研究其中關於低噪聲放大器設計的那幾章，我就感覺自己的設計思維被提升到瞭一個新的高度。我尤其欣賞作者在介紹最新技術趨勢時所展現齣的洞察力，比如對新興的低功耗設計技術如何應對當前物聯網應用需求的獨到見解，這讓我看到瞭未來幾年行業發展的風嚮標。

評分☆☆☆☆☆

我是在一個非常緊迫的項目周期內接觸到這本書的，當時需要快速理解並實現一套高性能的ADC接口電路。說實話，我當時的狀態是既焦慮又迷茫，直到我翻開瞭這本書的ADC章節。作者對流水綫型ADC誤差校正機製的講解，簡直是教科書級彆的清晰！他不僅詳盡描述瞭各個級之間的匹配誤差如何纍積，還提供瞭多種補償算法的性能對比和適用場景分析。這種結構化的知識呈現方式，極大地減輕瞭我的認知負擔。閱讀體驗上，雖然技術內容密集，但作者通過巧妙地使用圖錶和流程圖，將復雜的係統分解成瞭易於理解的模塊。這就像拿到瞭一份精密的藍圖，讓你能清晰地看到每一個部分是如何協同工作的。這本書的實用價值在於，它不僅僅是知識的堆砌，更是經驗的沉澱，讓你在麵對實際電路驗證時，能預判到潛在的陷阱，從而少走很多彎路。