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集成電路設計原理范文1
以集成電路為龍頭的信息技術產業是國家戰略性新興產業中的重要基礎性和先導性支柱產業。國家高度重視集成電路產業的發展,2000年,國務院頒發了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務院了《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業和信息化部印發了《集成電路產業“十二五”發展規劃》,我國集成電路產業有了突飛猛進的發展。然而,我國的集成電路設計水平還遠遠落后于產業發展水平。2013年,全國進口產品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務院總理在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產業,明確指出,要設立新興產業創業創新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數據、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領未來產業發展。2014年6月,國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》,加快推進我國集成電路產業發展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設計人才是集成電路產業發展的重要保障。2010年,我國芯片設計人員達不到需求的10%,集成電路設計人才的培養已成為當前國內高等院校的一個迫切任務[1]。為滿足市場對集成電路設計人才的需求,2001年,教育部開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業[2]。
我校2002年開設電子科學與技術本科專業,期間,由于專業調整,暫停招生。2012年,電子科學與技術專業恢復本科招生,主要專業方向為集成電路設計。為提高人才培養質量,提出了集成電路設計專業創新型人才培養模式[3]。本文根據培養模式要求,從課程體系設置、課程內容優化兩個方面對集成電路設計方向的專業課程體系進行改革和優化。
一、專業課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業基礎課的教學?！皩I物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設計的專業基礎課,為后續更好地學習專業方向課提供理論基礎。如果基礎不打扎實,將導致學生在學習專業課程時存在較大困難,更甚者將導致其學業荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結構、工作原理和工作特性,學生在后面學習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學得懂。
但國內某些高校將這些課程設置為選修課,開設較少課時量,學生不能全面、深入地學習;有些院校甚至不開設這些課程[4]。比如,我校電子科學與技術專業就沒有開設“晶體管原理”這門課程,而是將其內容合并到“模擬集成電路原理與設計”這門課程中去。
2.課程開設順序不合理。專業基礎課、專業方向課和寬口徑專業課之間存在環環相扣的關系,前者是后者的基礎,后者是前者理論知識的具體應用。并且,在各類專業課的內部也存在這樣的關系。如果在前面的知識沒學好的基礎上,開設后面的課程,將直接導致學生學不懂,嚴重影響其學習積極性。例如:在某些高校的培養計劃中,沒有開設“半導體物理”,直接開設“晶體管原理”,造成了學生在學習“晶體管原理”課程時沒有“半導體物理”課程的基礎,很難進入狀態,學習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學習MOS晶體管的工作狀態時,如果沒有半導體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關。
3. 課程內容理論性太強,嚴重打擊學生積極性?！皩I物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業基礎課程本身理論性就很強,公式推導較多,并且要求學生具有較好的數學基礎。而我們有些教師在授課時,過分強調公式推導以及電路各性能參數的推導,而不是側重于對結構原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學生(尤其是數學基礎較差的學生)學習起來很吃力,學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業課程體系。形成“4+3+2”專業課程體系模式:“4”是專業基礎課“專業物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業方向課“集成電路原理與設計”、“集成電路工藝”和“集成電路設計CAD”;“2”是寬口徑專業課“集成電路應用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優化和循序漸進的原則,根據學習每門專業課所需掌握的基礎知識,環環相扣,合理設置各專業課的開課先后順序,形成先專業基礎課,再專業方向課,然后寬口徑專業課程的開設模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養模式,也就是三個本科專業
大學一年級、二年級統一開設課程,主要開設高等數學、線性代數、力學、熱學、電磁學和光學等課程,重在增強學生的數學、物理等基礎知識,為各專業后續專業基礎課、專業方向課的學習打下很好的理論基礎。從大學三年級開始,分專業開設專業課程。為了均衡電子科學與技術專業學生各學期的學習負擔,大學三年級第一學期開設“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業基礎課程。其中“固體物理與半導體物理”這門課程是將固體物理知識和半導體物理知識結合在一起,課時量為64學時,由2位教師承擔教學任務,其目的是既能讓學生掌握后續專業方向課學習所需要的基礎知識,又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設“電子器件基礎”、“集成電路原理與設計”、“集成電路設計CAD”和“微電子工藝學”等專業課程。由于“電子器件基礎”是其他三門課程學習的基礎,為了保證學習的延續性,擬將“電子器件基礎”這門課程的開設時間定為學期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學生在學習專業方向課時具有高的學習效率和大的學習興趣。另外,“集成電路原理與設計”課程設置96學時,由2位教師承擔教學任務。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為6~17周;再講授“CMOS數字集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為8~19周。大學四年級第一學期開設“集成電路應用”和“集成電路封裝與測試技術”等寬口徑專業課程,并設置其為選修課,這樣設置的目的在于:對于有意向考研的同學,可以減少學習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學,可以更多了解專業方面知識,為找到好工作提供有力保障。 2.優化專業課程的教學內容。由于我校物理與電子科學學院本科生采用信息科學大類培養模式,專業課程要在大學三年級才能開始開設,時間緊湊。為實現我校集成電路設計人才培養目標,培養緊跟集成電路發展前沿、具有較強實用性和創新性的集成電路設計人才,需要對集成電路設計方向專業課程的教學內容進行優化。其學習重點應該是掌握基礎的電路結構、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結于電路各性能參數的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業基礎課程教學中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導,側重于對基本原理及特性的物理意義的學習,以免削弱學生的學習興趣。MOS器件是目前集成電路設計的基礎,因此,在“晶體管原理”中應當詳細講授MOS器件的結構、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業方向課程,教師不但要講授集成電路設計方面的知識,也要側重于集成電路設計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關內容的教學。實驗實踐教學是培養學生的知識應用能力、實際動手能力、創新能力和社會適應能力的重要環節。因此,在專業方向課程中要增加實驗教學的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設計”課程中,總課時量為48學時不變,理論課由原來的38學時減少至36學時,實驗教學由原來的10學時增加至12個學時。36學時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關電路等多種電路結構。12個學時的實驗教學中2學時作為EDA工具學習,留給學生10個學時獨自進行電路設計。從而保證學生更好地理解理論課所學知識,融會貫通,有效地促進教學效果,激發學生的學習興趣。
集成電路設計原理范文2
關鍵詞:專用集成電路設計;創新;教學;探討
中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)04-0920-02
Discussing about How to Teach the "Design of Application-Specific Integrated Circuit" Course
WU Yu-hua
(Beijing Electronic Science and Technology Institute, Beijing 100070, China)
Abstract: "Design of Application-Specific Integrated Circuit" is an important specialty course. In this paper, we will discuss the teaching technique about this course of non-micro-electronics specialty. Combining the teaching practice, several teaching experiences about "Design of Application-Specific Integrated Circuit" course are summarized.
Key words: design of application-specific integrated circuit; innovate; teaching; discuss
《專用集成電路設計》是電氣信息類專業開設的一門比較重要的專業課。為了培養寬口徑、基礎扎實的集成電路設計人才,滿足IC行業對人才的大量需求,無論是在微電子專業,還是在相關的其他電氣信息類專業,不少重點高等院校都已經開設了本門課程。在學生已經掌握了模擬電子技術、數字電子技術和一定的晶體管原理知識的基礎上,通過學習《專用集成電路設計》課,進行ASIC設計理論的學習和實踐的強化,進一步掌握集成電路和電路系統的設計知識,提高集成電路設計能力,增長集成電路設計經驗;通過理論教學和實踐教學,來加強電氣信息類專業學生的電路設計基礎、版圖設計基礎以及集成電路設計各環節的驗證知識等,培養學生在集成電路設計方面的研究興趣,為后續課程的學習和進一步的深造打好基礎。
由于專業建設和人才培養的需要,北京電子科技學院同樣開設了《專用集成電路設計》的專業選修課,授課對象是電子信息工程專業的本科生,由于非微電子的專業背景原因,他們并不具備足夠的半導體物理、晶體管原理等知識,因此在本課程的教學過程中,必然要針對具體對象,調整教學內容,創新教學思路,加強教學研究,找到一種適合于非微電子專業本科生的教學思想和教學方法。通過教學實踐,學生對于課程組在這一課程中的創新、探索和具體的教學方法比較認可。這里把我們在《專用集成電路設計》課教學實踐中的初步探索做一些總結,希望與大家分享。
1 結合實際合理設置授課內容,以學生能夠接受為目標
電子信息工程專業的學生在學習《專用集成電路設計》課程之前,已經系統地學習了《電路分析》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《EDA技術》等有關電子技術和電路系統的課程,對于電路系統的設計已經有了一定的理解,并進行過比較系統的動手實踐訓練,為進一步學習《專用集成電路設計》課程打下了比較堅實的知識基礎和實踐基礎。但是由于專業背景的原因,該專業不太可能只是為了《專用集成電路設計》課而專門開設《半導體物理》、《晶體管原理》等這些在微電子專業才有的課程,因此,與微電子專業相比,電子信息工程專業的本科生欠缺有關晶體管原理和半導體工藝等方面的必要知識。在設置授課內容時,必然要考慮到這一點,總的原則應當是以學生能夠接受、但又不應該過于輕松接受為目標,而且要盡量避免與《EDA技術》等課程的知識重復。
根據我們的課程內容設置原則,將《專用集成電路設計》課的講授內容分為以下幾章:第一章:ASIC設計概述;第二章:CMOS邏輯;第三章:ASIC庫設計;第四章:ASIC的前端設計;第五章:ASIC的后端設計;第六章:可測性設計技術;第七章:SOC設計技術簡介。在各章的講授中,占用課時較多的分別是第二章、第三章和第五章。在講授時強調培養學生的系統設計能力,使學生對專用集成電路的設計、制造、測試等一整套流程有一般性、整體性的了解,建立專用集成電路的基本概念和方法,了解IC領域的最新發展趨勢,激發學生潛在的對集成電路前、后端設計的興趣。為了配合理論教學,提升教學效果,還設置了合適的實驗教學內容。
2 注重實驗教學效果,以培養動手實踐能力為目標
集成電路設計類課程除了理論教學以外,實驗教學尤為重要,因為這類課程對學生的訓練重點正是在于動手實驗,提前接觸到未來在進一步的研究和工作中可能會應用到的一些軟件工具、設計流程以及設計技巧等,這樣才能促進學生理論與實踐相結合,真正幫助學生掌握ASIC設計技術。因此本課程要更加注重實驗教學效果,著力培養學生的動手實踐能力,進而使學生能夠更加準確、具體和形象地掌握在課堂上學到的理論知識。根據這一原則,經過試用修訂,我們專門編印了《專用集成電路設計實驗指導書》,根據大綱的變化,使用工具版本的提高,目前已經編印了2007版和2009版的實驗指導書,共設計了五個實驗,具體是:實驗一:IC設計工具的使用;實驗二:單元電路的前端設計;實驗三:標準單元的版圖繪制與驗證;實驗四:四位加法器和減法器ASIC的設計;實驗五:計數器ASIC的設計。每個實驗3學時,其中實驗二、實驗四和實驗五為綜合性、設計性實驗。
選用一種合適的集成電路設計工具是順利進行實踐教學的關鍵。我們選用了美國Tanner Research公司開發的一種優秀集成電路設計工具――Tanner Tools Pro,它雖然在功能上不如Cadence、Synopsys等大型工具強大,但它的最大優點是成本低,可以在PC機上使用,而且圖形處理速度快,編輯功能強,便于學習,使用方便,特別適用于高校進行相關的教學和科研工作。Tanner Pro工具在美國和臺灣的很多大學中早已被廣泛應用,臺灣不少IC設計企業也在使用Tanner Pro工具。該工具較新版本為Tanner Tools Pro 13.0,主要包含了S-EDIT(原理圖編輯)、L-EDIT(版圖編輯)、T-SPICE(電路仿真)、W-EDIT(波形觀察)和LVS(版圖與原理圖比對)等幾個功能不同的子工具,滿足了集成電路設計從前端到后端、設計驗證的一系列過程的需要,完全可以適用于《專用集成電路設計》課程的實踐教學。通過我們在課程實驗、畢業設計等實踐教學環節的使用,發現學生對這個工具上手快、掌握熟,對于以后使用其他的IC設計工具也有一定的幫助,而且培養了他們將來涉足IC設計領域的興趣和信心。圖1是學生在實踐教學中得到的一個版圖設計結果。
3 適當講授最新技術進展,以讓學生跟上行業發展腳步為目標
我們都知道,集成電路設計技術、制造工藝等的發展速度飛快,遵循著集成電路最小特征尺寸以每三年減小70%的速度下降、集成度每年翻一番和價格每兩年下降一半的著名的摩爾定律,集成電路的設計和制造技術發展日新月異。因此,在《專用集成電路設計》的教學過程中,必須要根據教學大綱的要求,在系統講授已經設置好的教學內容的前提下,結合具體授課內容,適當講授最新技術進展,以期讓學生跟上集成電路設計行業發展的腳步,并不斷將這些新技術、新進展、新方法、新工具、新工藝融入到授課內容中,做到授課內容常講常新。其實這除了讓學生可以接受到最新的知識和了解到該領域最新進展之外,同時也是一個教學相長的過程,對于教師的教學和相關科研也是一種無形的促進,可以督促教師不斷地跟蹤與IC設計、制造相關的最新研究成果,并進行精心的組織,將這些成果有機融入到課程教學中,做到授課內容的不斷更新,而且這樣也才能夠避免一份講稿多年重復使用,保證教師在教學中的激情,增強教學效果。
在這里僅僅舉一個具體例子。在一次講授到集成電路工藝的內容時,作者為同學們講授了不斷發展的集成電路工藝水平,以及所遇到的工藝發展瓶頸對于摩爾定律的挑戰,還具體講到了Intel公司新推出的0.45nm工藝的CPU,它采用了大大不同于以往的工藝方法,這次工藝變革可以稱得上是“拯救摩爾定律”的一大技術進展。本次課后,不少同學紛紛通過互聯網等來查閱這一最新工藝的具體情形,表現出了濃厚的學習興趣。
4 創新課程考查方式,以激發學生進一步的研究興趣為目標
一門課程的考查方式如何,對于這門課程能不能按照教師的預想,達到既定的最終教學目的,有著比較重要的作用。傳統的一張試卷去“考”出學生學習效果的方式雖然比較簡單省事,但卻過于單調,雖然從某種程度上能夠考查出學生對這門課程知識的掌握程度,但是對于激發學生在學完這門課程之后,對本學科、本領域進行進一步研究的興趣卻作用不大。由于自從接受學校教育以來經歷了無數次的考試,不少學生厭煩考試的情緒比較嚴重,恨不得考完后把教材、作業、筆記等都馬上丟棄,這是現實存在的、我們必須得承認的事實。從某種意義上說,通過考試來考查學生的學習,有時對最終教學目標的實現會起到一定的反作用。而且單純考試的方式也很難發現學生對于這門課、這個領域、這個行業的獨特想法和創新思路。
作者在《專用集成電路設計》教學過程中,結合課程的專業特點,積極探索并實踐了采用提交論文和現場答辯相結合的課程考查方式,即在課程講授到二分之一左右時,布置給學生論文題目,對于論文的范圍、參考文獻的篇數、論文的格式和字數等做出明確而具體的規范,要求學生在最后一次課之前提交自己的論文,做好答辯ppt,并利用專門的時間集中進行答辯,每位學生對自己準備的論文,進行5分鐘左右的講解,并接受教師和其他學生的提問。通過創新課程考查方式,提交論文和現場答辯相結合,讓學生在準備論文和答辯材料的過程中對專用集成電路設計的有關內容和工藝、方法等有了更加深刻的理解,并有了一個系統的知識梳理過程,現場答辯的方式也更能夠展現學生對于集成電路設計的一些獨特的思路和創新性的理解,學生在經歷這一過程時,也促使自己積極思考,主動研究,努力去探索和集成電路、微電子學有關的一些研究方法和最新進展,激發自己在完成本門課程的學習后、甚至是大學畢業后進行進一步研究的興趣和信心;另外還在這個過程中提升了學生的論文寫作能力、科學研究能力。
5 結束語
《專用集成電路設計》課(或者其他名稱的類似課程)在不少設有微電子學專業的重點大學中開設較為普遍,但在沒有微電子學專業的高校特別是非重點高校中開設并不多,對于該課程教學實踐中的一些具體的方法研究和探討需要更加深入。作者在教學實踐中,緊密圍繞本校、本專業的培養目標,以授課對象為主體,遵循課程的教學規律和科學研究規律,選擇合適的授課內容和教學方法,并且不斷地對此進行探索和研究,收到了初步的教學效果。當然,教學創新永無止境,教學方法的研究和探討不能止步,作為一名年輕教師,在今后的教學實踐中,作者將在加強學習以及與同行交流的前提下,進一步拓寬和創新教學思路,探索和完善教學模式,研究和更新教學內容,學習和探討教學技巧,敢于創新,善于創新,真正做到教好書,育好人。
參考文獻:
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集成電路設計原理范文3
關鍵詞: 路燈; 監控; 智能控制器
中圖分類號： TM571 文獻標識碼： A 文章編號：
0 引言
城市路燈照明系統隨著社會經濟的發展，其功能已經從單純的照明逐漸轉變為美化環境、改善形象、活躍經濟。由于路燈數量眾多、布置分散、運行管理困難和沒有通信功能，其管理和維護相當困難。傳統的管理方式是依賴人工巡線檢查其工作狀態，只能控制開關狀態，無法掌握在線路燈的電壓、電流等工作狀態，造成管理混亂，維護遲緩。社會的發展對路燈的開關燈運行、節約能源、亮燈率和景觀照明提出了更高要求，因此必須利用先進技術提出一種合理有效的控制管理方案。近年來，隨著電力線載波通信技術的發展和日漸成熟，將其應用在城市路燈監控管理系統中，不僅能控制城市路燈在不同時段的開關狀態，也可以采集路燈的電壓、電流信息，檢測其短路和斷路故障，還能夠通過載波信息實時查詢解析各路段的線路完整性，保護路燈和電纜被偷盜。
1 系統組成簡述
該系統由上位機、主控機和從控機3 部分構成. 系統的組成如圖1 所示.
上位機由PC 機構成, 用VB編寫的程序通過串口和主控單片機通信, 監控路燈的工作情況. 為保證通信的可靠性, 在上位機和主控機的串口之間增加了轉換隔離模塊.主控機是由單片機構成, 由于主控機的程序較大, 單片機采用Atmega128. 主控機一方面用電力載波的調制解調芯片通過電力線和下位機通信, 另一方面和上位PC 機通信.從控單片機用調制解調芯片通過電力線獲取主控機的指令, 控制路燈開關; 將路燈的工作狀態通過電力線發送給主控機.
圖1系統組成
2 系統的硬件結構
2．1主控機系統
在主控機采用核心板設計，結構如圖2 所示．
圖2 主機系統的硬件結構框圖
主控芯片采用AVR ATmega128 芯片． ATmega128是高性能、低功耗的8位微處理器，它的運行速度快，大多數指令可以在一個時鐘周期內完成; 壽命: 10， 000 次寫/擦除周期; 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區; 通過片內的啟動程序實現系統內編程; 真正的讀－修改－寫操作硬件乘法器只需兩個時鐘周期; 具有128K 字節的系統內可編程Flash; 4K字節的內部SRAM;可以對鎖定位進行編程以實現軟件加密;具有JTAG 接口，方便程序在線調試、下載; 兩個可編程的串行USART; 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口。
2.2 從控機系統
控機系統結構如圖3 所示．
圖3 從機系統的硬件結構框圖
電流傳感器、電壓傳感器和自制的光電轉換單元將采集到的信號通過調濾波后, 轉變為電壓值、電流值和光電轉換數據,再輸入到AVR單片機ATMEGA8本身自帶的A/ D 轉換單元,進行運算處理。電壓傳感器并接在路燈的接線端子上,電流傳感器串接在路燈的回路中。
從機地址編碼單元由一組開關設置, 利用了單片機的10條端口線, 所以從機地址有1024個編碼。如果路燈的個數較多, 從機地址不夠, 可以通過分組管理的辦法進行擴充。單片機通過驅動單元( 含光耦固態繼電器) 來開啟和關閉燈。
2.3調制解調器LME2200C
市場上的電力線載波芯片種類較多，如XR2210/XR2206套片或LM1893、ST7536/ST7538、SST P300、PLT-22，這類芯片相對比較復雜，模擬電路比較多，價格昂貴，主要用于普通電力線載波通信。基于低壓電源線載波通信的需要，采用電力線載波芯片LME2200C作為電源線載波通信芯片。該芯片集成了電力線通信的調制解調器，采用了多載波調制解調技術，芯片內置了數字信號處理、模數轉換和數模轉換電路，能直接和模擬前端電路接口，同時，芯片與控制器之間的數據交互方式靈活，能簡單嵌入智能系統。
3 監控中心的軟件設計
監控中心的監控系統是以Windows 2000 Server 作為運行系統, 利用SQL Server 2000來管理系統所有的數據信息。以 作為開發工具, 采用了 技術對數據庫進行訪問。
中央控制室內采用兩臺工控機互為備用，實現監控管理系統的控制指令和巡檢信息的發送與接收，進行人機對話，打印報表等。數據服務器主要是用來存儲主控機的操作信息和處理后的數據信息，為系統管理和生成統計報表提供數據來源。主控機和數據服務器之間通過路由器建立C /S 結構，其它經授權的PC 機也可通過因特網接入該數據服務器，實現數據共享和跨地域遠程監測。
大屏幕多媒體部分用于動態顯示整個區域的路燈位置、設備信息及實時工作狀態，巡檢到故障信息后自動轉換到報警窗口，放大故障路燈所在局部地理位置圖像并顯示故障類型和詳細信息，發出聲音和燈光報警，提醒工作人員及時處理故障。采用GPS衛星時鐘信號為系統提供統一標準時間，定時校準路段控制器內時鐘信號，確保整個系統工作可靠。不間斷電源為整個中央控制室的供電系統提供后備電源，防止意外斷電中斷系統正常工作。
4 結論
本系統將無線通信和電力線載波通信相結合用于城市路燈遠程智能監控管理，節省大量繁重的布線工作，避免單純使用無線通信成本居高不下、故障頻發維護困難的缺點，能夠對城市路燈系統有效地遠程監控管理。
參考文獻:
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集成電路設計原理范文4
關鍵詞：工程需求；集成電路設計；實踐；驗證
中圖分類號：G647 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）44-0089-02
集成電路設計是學科交叉特性顯著的一個學科，且其發展日新月異，技術更新非?？?，而其主要的更新點體現在工藝水平、設計思想和設計手段上。例如，在設計SOC等大規模集成電路時，設計者首先要全方位地把握系統的主體框架，另外還要注重各個環節中的細節，有效利用EDA軟件來精確地實現設計并驗證其正確性。目前大多數高校開設的集成電路設計課程融入了多媒體教學，但多媒體教學多局限于PPT課件教學，雖然在教學內容上與過去的板書教學相比得到了很大的擴充，但從教學體系上說對于工程化設計流程的介紹缺乏連貫性、完整性，各個知識點的介紹相對來說較為孤立，學生對所學知識的理解無法融會貫通，對工程化設計的理解停留在概念的層面上。目前課程安排中普遍采用理論教學為主，存在實踐環節過少、實踐環節不成完備體系等問題。學生工程實踐能力不能得到有效提升，用人單位需要花大量的時間和人力對應屆學生進行培訓；學生容易產生挫折情緒，不能快速適應崗位需求。本教改通過對目前國內急需集成電路設計人才的現狀的思考，對集成電路設計課程的教學進行改革，實施以工程需求為導向，以工程界典型數字集成電路設計和驗證流程為主線的閉環式教學。在國家急需系統級集成電路設計實用型工程人才的指導思想下，在工科院校要培養能為社會所用工程人才的辦學宗旨下，以開發學生潛力、提高學生自主學習積極性為目的，結合用人單位的用人需求，我院集成電路設計課程嘗試閉環教育，即課程的章節設置參照工程界數字集成電路系統的典型設計流程，知識內容涵蓋從設計到流片生產甚至測試的每一個環節，而每一個重要環節都有工程實驗與之相對應，形成完備的閉環知識體系。本教改項目閉環教育可分為理論教育環節和實驗教育環節。
一、理論教育環節
閉環教育中的理論教育以工程界大型數字集成電路設計的典型流程為教學切入點，然后以該流程為主線介紹各個階段涉及的理論知識和可供使用的EDA軟件，每次進入下一設計階段的講解前，都會重新鏈接至流程圖，見圖1所示。反復出現的設計流程圖，一方面可以加深學生對設計流程的印象；另一方面針對當前內容在流程中出現的位置，突出當前設計階段與系統設計的整體關聯，加強學生對各個設計階段的設計目的、設計方法、EDA軟件中參數設定偏重點的理解。這種教育方法區別于傳統的單純的由點及面的教育方法，避免出現只見樹木不見森林的情況，能夠在注重細節的同時加強整體觀念。
二、實踐教育環節
實踐教育環節主要是指與理論教育相配套結合的系列實驗。針對每個設計階段都安排相應的較為全面的實驗，與該階段的理論知識形成閉環。而且，所有的實驗基本可按照從系統設計開始到流片、測試的完整設計流程串接起來。
圖1 大型數字集成電路設計的典型流程
實驗指導書撰寫了前端設計內容，在數字集成電路系統初期的系統分析、功能模塊劃分、具體硬件語言描述編譯階段，加入以硬件語言描述、編譯、仿真為偏重的上機實驗，目的是學習良好的系統全局觀，掌握過硬的代碼編寫能力，并將設計下載至FPGA中作為初步的硬件設計驗證手段；撰寫了后端設計內容，采用Cadence公司的自動布局布線器SE進行布局布線，介紹面向數字化集成電路的標準化單元概念及其相關工藝庫文件的作用，著重講授從網表到版圖的轉化過程以及需要注意的問題，如電源網絡的合理布局、時鐘網絡的時序匹配及平衡扇出等方面的考慮。利用版圖編輯器Virtuoso Layout進行版圖驗證，介紹標準單元版圖與定制版圖的區別、版圖設計與工藝制程的關系，重點在于使學生在對版圖建立感性認識的同時對IP保護有更深層次的理解。Verilog仿真器進行版圖后仿真實驗，強調版圖寄生參數對系統功能、時序的影響，后仿真時序文件反標的含義；明確后仿真對于保證設計正確性的意義；培養認真負責的驗證思想。
實踐教育環節大致分為前端設計階段、后端設計階段、測試階段。
1.前端設計階段。在數字集成電路系統初期的系統分析、功能模塊劃分、具體硬件語言描述編譯階段，加入以硬件語言描述、編譯、仿真為偏重的上機實驗，目的是學習良好的系統全局觀，掌握過硬的代碼編寫能力，并將設計下載至FPGA中作為初步的硬件設計驗證手段。
2.后端設計階段。針對數字集成電路的特點，安排面向MPW流片的實驗，介紹將電路轉化為高可靠性版圖的主要步驟。該實驗分三個階段：①采用Cadence公司的自動布局布線器SE進行布局布線，介紹面向數字化集成電路的標準化單元概念及其相關工藝庫文件的作用，著重講授從網表到版圖的轉化過程以及需要注意的問題，如電源網絡的合理布局、時鐘網絡的時序匹配及平衡扇出等方面的考慮；②版圖編輯器Virtuoso Layout進行版圖驗證，介紹標準單元版圖與定制版圖的區別、版圖設計與工藝制程的關系，重點在于使學生在對版圖建立感性認識的同時對IP保護有更深層次的理解；③Verilog仿真器進行版圖后仿真實驗，強調版圖寄生參數對系統功能和時序的影響、后仿真時序文件反標的含義，明確后仿真對于保證設計正確性的意義，培養認真負責的驗證思想。
集成電路設計原理范文5
關鍵詞：版圖設計；九天EDA系統；D觸發器
Full-Custom Layout Design Based on the Platform
of Zeni EDA System
YANG Yi-zhong , XIE Guang-jun, Dai Cong-yin
（Dept. of Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）
Abstract: Layout of D flip-flop based on some basic units such as inverter has been designed by using platform of Zeni EDA software system produced by China Integrated Circuit Design Center, adopting 0.6um Si-gate CMOS process, following a full-custom IC design flow of back-end, i.e. the construction of basic cell libraries, placement & routing and then layout verification, which is used for data collection unit. Layout design technique about elementary logic gate of digital circuit has been discussed in detail. The layout has been used in an IC. The result shows that design using Zeni EDA software system satisfies design requirement exactly.
Key words: layout design; Zeni EDA system; D flip-flop
1引言
集成電路（Integrated Circuit，IC）把成千上萬的電子元件包括晶體管、電阻、電容甚至電感集成在一個微小的芯片上。集成電路版圖設計的合理與否、正確與否直接影響到集成電路產品的最終性能[1]。目前，集成電路版圖設計的EDA （ Electronic Design Automation）工具較多，但主流的集成電路版圖設計的EDA工具價格昂貴，而我國自主開發的九天EDA系統，具有很高的性價比，為我們提供了理想的集成電路設計工具。
2基本概念
2.1 版圖
版圖是將三維的立體結構轉換為二維平面上的幾何圖形的設計過程，是一組相互套合的圖形，各層版圖相應于不同的工藝步驟，每一層版圖用不同的圖案來表示。它包括了電路尺寸、各層拓撲定義等器件的相關物理信息，是設計者交付給代工廠的最終輸出。
2.2 版圖設計
它將電路設計中的每一個元器件包括晶體管、電阻、電容等以及它們之間的連線轉換成集成電路制造所需要的版圖信息。主要包括圖形劃分、版圖規劃、布局布線及壓縮等步驟[2]。版圖設計是實現集成電路制造的必不可少的環節，它不僅關系到集成電路的功能是否正確，而且會在一定程度上影響集成電路的性能、面積、成本與功耗及可靠性等[3]。版圖設計是集成電路從設計走向制造的橋梁。
2.3 集成電路版圖實現方法
集成電路版圖實現方法可以分為全定制（Full-Custom）設計和半定制（Semi-Custom）設計[4]。半定制設計方法包括門陣列設計方法、門海設計方法、標準單元設計方法、積木塊設計方法及可編程邏輯器件設計方法等。全定制設計方法是利用人機交互圖形系統，由版圖設計人員從每一個半導體器件的圖形、尺寸開始設計，直至整個版圖的布局和布線。全定制設計的特點是針對每一個元件進行電路參數和版圖參數的優化，可以得到最佳的性能以及最小的芯片尺寸，有利于提高集成度和降低生產成本。隨著設計自動化的不斷進步，全定制設計所占比例逐年下降[5]。
3九天EDA系統簡介
華大電子推廣的應用的九天EDA系統是我國自主研發的大規模集成電路設計EDA工具，與國際上主流EDA系統兼容，支持百萬門級的集成電路設計規模，可進行國際通用的標準數據格式轉換，它已經在商業化的集成電路設計公司以及東南大學等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發揮了作用，成功開發出了許多實用的集成電路芯片[6]。其主要包括下面幾個部分[7]：ZeniSE（ Schematic Editor）原理圖編輯工具，它可以進行EDIF格式轉換，支持第三方的Spice仿真嵌入； ） ZeniPDT （ Physical Design Tool）版圖編輯工具；它能提供多層次、多視窗、多單元的版圖編輯功能，同時能夠支持百萬門規模的版圖編輯操作；ZeniVERI （ Physical Design Verification Tools）版圖驗證工具它可以進行幾何設計規則檢查（DRC） 、電學規則檢查（ ERC） 及邏輯圖網表和版圖網表比較（LVS）等。
版圖設計用到的工具模塊是ZeniPDT，它具備層次化編輯和在線設計規則檢查能力，并提供標準數據寫出接口。其設計流程如圖1所示[8]，
4設計實例
任何一個CMOS數字電路系統都是由一些基本的邏輯單元（非門、與非門、或非門等）組成，而基本單元版圖的設計是基于晶體管級的電路圖設計的。因而在版圖設計中，主要涉及到如何設計掩膜版的形狀、如何排列晶體管、接觸孔的位置的安排以及信號引線的位置安排等。以下以一個用于數據采集的D觸發器為例進行設計。
4.1 D觸發器電路圖及工作原理
D觸發器電路圖，如圖2所示，此電路圖是通過九天EDA系統工具的ZSE模塊構建的，其基本工作原理是：首先設置CLB=1。當時鐘信號CLK=0時，DATA信號通過導通的TG1進入主寄存器單元，從寄存器由于TG4的導通而形成閉合環路，鎖存原來的信號，維持輸出信號不變。當CLK從0跳變到1時，主寄存器單元由于TG2的導通而形成閉合回路，鎖存住上半拍輸入的DATA信號，這個信號同時又通過TG3經一個與非門和一個反相器到達Q端輸出。當CLK再從1跳變到0時，D觸發器又進入輸入信號并鎖存原來的輸出狀態。對于記憶單元有時必須進行設置，電路中的CLB信號就擔當了觸發器置0 的任務。當CLB=0時，兩個與非門的輸出被強制置到1，不論時鐘處于0還是1，輸出端Q均被置為0。
4.2 D觸發器子單元版圖設計
圖2所示的D觸發器由五個反相器、兩個與非門、兩個傳輸門和兩個鐘控反相器組成。選擇適當的邏輯門單元版圖，用這些單元模塊構成D觸發器。
對于全定制的集成電路版圖設計，需要工作平臺，包括設計硬件、設計使用的EDA軟件以及版圖設計的工藝文件和規則文件。此D觸發器的設計硬件是一臺SUN Ultra10工作站，設計軟件是九天EDA系統，采用0.6um硅柵CMOS工藝。
CMOS反相器是數字電路中最基本單元，由一對互補的MOS管組成。上面為PMOS管（負載管），下面為NMOS管（驅動管）。由反相器電路的邏輯“非”功能可以擴展出“與非”、“或非”等基本邏輯電路，進而得到各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。
在電路圖中，各器件端點之間所畫的線表示連線，可以用兩條線的簡單交叉來表示。但對于具體的物理版圖設計，必須關心不同連線層之間物理上的相互關系。在硅CMOS工藝中，不能把N型和 P型擴散區直接連接。因此，在物理結構上必須有一種實現簡單的漏極之間的連接方法。例如，在物理版圖中至少需要一條連線和兩個接觸孔。這條連線通常采用金屬線。可得如圖3（a）所示的反相器的局部的符號電路版圖。同理，可以通過金屬線和接觸孔制作MOS管源端連接到電源VDD和地VSS的簡單連線，如圖3（b）所示。電源線和地線通常采用金屬線，柵極連接可以用簡單的多晶硅條制作。圖3（c）給出了最后的符號電路版圖。
通過九天版圖設計工具繪制的反相器版圖如圖4所示。其他基本單元的版圖可依此建立。
4.3 D觸發器版圖設計
先建立一個名為DFF的庫，然后把建立的各個單元版圖保存在DFF庫中，同時在庫中建立名為dff的新單元。調用各子單元，并進行相應D觸發器的版圖布局，接著就是單元間的連線。主要用到的層是金屬1、金屬2和多晶硅進行連接布線。接觸孔是用來連接有源區和金屬1，通孔用來連接金屬1和金屬2，多晶硅和多晶硅以及相同層金屬之間可以直接連接。版圖設計完成后，再利用版圖驗證工具ZeniVERI對該版圖進行了版圖驗證。最后，經過驗證后D觸發器的版圖如圖5所示。
5結語
在分析CMOS 0.6um設計規則和工藝文件后，采用九天EDA系統，以D觸發器為例進行了版圖設計。實踐表明，九天EDA系統工具具有很好的界面和處理能力。該版圖已用于相關芯片的設計中，設計的D觸發器完全符合設計要求。
參考文獻
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集成電路設計原理范文6
關鍵詞：鎖相環；鑒頻鑒相器；電荷泵；電流匹配
1 引言
隨著集成電路設計技術的實用技術突破，數字電視技術逐漸成熟并普及，DVB-T（Digital Video Broadcasting-Terrestrial），作為一種將數字電視技術和移動設備相結合的國際標準，已經被提出并且得到了一定的發展。隨后，人們又提出了一種DVB-H（Digital Video Broadcasting Handheld）的制式專門用于移動接收，利用手機、電腦等便攜設備，隨時隨地收看數字電視已經成為當今世界的潮流。數字電視調諧器專用芯片的集成度越來越高，全集成鎖相環（PLL，Phase locked-loop）被廣泛應用在數字電視調諧器芯片中，電荷泵PLL是當今最流行的鎖相環結構，具有捕獲頻率范圍寬，鎖定時相位誤差小等優點，被廣泛應用于現代通信和射頻領域中。鑒頻鑒相器和電荷泵作為鎖相環電路的關鍵模塊，其設計已成為研究熱點。
本文采用SMIC 0.13?m CMOS工藝，設計了一種結構簡單且低功耗的鑒頻鑒相器電路和充放電電流高度匹配的電荷泵電路。
2 電荷泵鎖相環的基本原理
電荷泵鎖相環由五部分組成：鑒頻鑒相器（PFD）、電荷泵（CP）、低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）和分頻器（Divider），如圖1所示。PFD對參考信號和PLL分頻信號進行鑒頻和鑒相，并輸出信號控制電荷泵充、放電脈沖電流，CP把PFD輸出的數字信號轉化為脈沖電流，LPF對CP提供的電流脈沖積分，產生對VCO的控制電壓，從而構成反饋回路。
圖1 電荷泵鎖相環原理圖
當輸入信號的頻率fref與VCO的輸出信號頻率fout相差很大時，PFD起鑒頻的作用，產生一個與ωin－ωout成正比的直流電壓分量，通過CP和LPF加到VCO的控制端，使VCO輸出信號頻率迅速接近fref。當頻率差減到足夠小時，相位鎖定功能開始工作，這時PFD相當于鑒相器，使環路鎖定。電荷泵鎖相環是當今最流行的鎖相環結構，具有捕獲范圍寬，鎖定時相位誤差小的優點。
