CMOS数字集成电路设计[图书]

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，每章最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。

作者：（美国）查尔斯·霍金斯（Charles Hawkins） （西班牙）佐米·塞古拉（Jaume Segura） （美国）雷曼·扎克斯哈（Payman Zarkesh—Ha） 译者：王昱阳 尹说
查尔斯·霍金斯（Charles Hawkins），现任美国新墨西哥大学教授，电机系主任。他具有30年数字和模拟电子技术教学经验以及芯片行业25年培训经验。他分别在美国Sandia国家实验室、InteI、AMD、Qualcomm、Philips公司完成实地研究项目。他是关于CMOS电子和电路分析的3本书籍的合著者。
佐米·塞古拉（Jaume Segura），西班牙巴利阿里群岛大学物理系教授。他负责讲授研究生的VLSI设计及微电子测试工程课程，以及本科生的数字和模拟电子、微处理器及逻辑设计课程。他在lntel、Airbus、Philips公司进行过大量研究和咨询工作，并且是关于CMOS电子的两本书籍的合著者。
雷曼·扎克斯哈（Payman Zarkesh—Ha），美国新墨西哥大学ECE系的教授，他负责讲授本科生和研究生的VLSI、数字和模拟电子等课程。他曾在LSILogic公司工作5年，期间为下一代ASIC开发了互连结构设计。他发表了60多篇论文。拥有12项专利。他的研究兴趣包括纳电子器件和系统统计建模、可制造性设计及低功耗高性能的VLSI设计。

出版者的话
译者序
序
前言
第1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

　　本书作者有着丰富的数字集成电路教学和研究经历。Charles Hawkins是美国佛罗里达大学的教授，Jaume Segura是西班牙巴利阿里群岛大学的教授，Payman Zarkesh-Ha是美国新墨西哥大学的副教授。本书完成时，Charles Hawkins教授在美国新墨西哥大学任教授，担任电机系主任，Jaume Segura当时在同一所大学做访问研究者。本书的作者还在诸多企业和国家实验室有着丰富的工作、休假访问与合作经历。
　　CMOS技术已经成为工业界的主导工艺，讲授CMOS数字集成电路的书籍已经有不少，例如J.Rabaey等人所著的《Digital Integrated Circuits》(2003,Prentice Hall)，N.Weste等人所著的《CMOS VLSI Design》(2011,Addison-Wesley)，以及J.Baker所著的《CMOS:Circuit Design,Layout,and Simulation》(2010,Wiley-IEEE Press)。本书的选材与上述书籍没有很大的差异，但讲授方法有显著的不同，本书的叙述更通俗易懂，具有启发性；更多地利用了实例；引入了更多的练习题；具有方便携带、适合自学等特点。
　　本书是为电子工程和计算机工程专业的本科生编写的教材，主要内容包括数字CMOS集成电路的设计技术，教材采用新颖的讲述方法，不要求学生学习过模拟电路的知识，有利于灵活地安排教学计划。本书完全放弃了双极型器件的内容，只关注数字集成电路的主流工艺——CMOS数字电路设计。书中引入了大量的实例，每章最后给出了丰富的习题，使学生能够在以后的工程性工作或者微电子学科的研究生课程学习中将学到的知识与实际相结合。对于计算机学科的学生，采用本教材可以完全跳过模拟电路的课程，而集中学习数字大规模集成电路知识。
　　本书从布尔代数理论和固体物理的知识开始，讲授了二极管和晶体管的原理及模型，介绍了如何把晶体管组合成基本的逻辑电路，也讨论了如何把逻辑表达式转换成电路，并介绍了电路的具体实现方法，是一本讲授数字大规模集成电路设计的较好的入门级教材。
　　本书的译者工作于清华大学电子工程系和微纳电子系。其中王昱阳翻译了前言、第1~9章，及对应习题参考答案；尹说翻译了序、第10~12章，及对应习题参考答案。全部翻译稿经王昱阳统稿之后，由清华大学微电子学研究所微纳电子系副教授陈虹老师审校。经过数月的翻译与审校，一本内容基础、讲述清晰、适于初学者自学的教材终于问世，本书的成功出版离不开相关人员和出版社编辑的大力支持。在此，译者对出版社工作人员以及所有相关人员表示感谢。
　　原书中的印刷错误或计算错误，凡是译者发现并由审校老师确认的，都已在本书中进行了修改。但由于时间紧迫，加之译者水平有限，译文中难免出现不妥和纰漏之处，恳请广大读者不吝赐教和指正。
　　王昱阳
　　

　　任何足够先进的技术都与魔术没什么区别。
　　——Arthur C.Clarke第三定律本书的目的是帮助你准备好为21世纪的计算机发展做出贡献。电子技术是人际交流和知识容量的巨大推动力。计算机的基础是晶体管，计算机电子学处理电路的晶体管级行为，这些电路可以实现所有的计算机逻辑操作，比如加法、乘法、存储、比较，以及任何由布尔方程所描述的运算。数十亿的晶体管和它们之间的互连线嵌入到又小又薄的矩形硅芯片中。这些小小的芯片中互连线的总长度可以达到几英里，而其消耗的功率从几微瓦到超过200瓦不等。芯片也可以称作“集成电路”（Integrated Circuit，IC）。芯片是十分复杂的，而电子和计算机工程师必须从晶体管电路层级去理解计算机运算的原理。
　　工程师需要面对许多挑战。我们如何将数字电路知识同计算机体系架构结合起来设计一个芯片？我们希望用多快的时钟控制计算机，而我们需要从哪里入手？我们如何将一块芯片接入到电路板中？我们可以容忍芯片多大的热功耗——又如何降低功耗？作为一个客户，又要如何同芯片的设计者提出自己的要求？如果芯片出现问题，需要返工到制造厂中评估，我们将从哪里开始解决这一问题？当我们从工厂取回第一块芯片进行评估时，若发现错误，应从哪里着手解决？芯片失效可能取决于温度或电源电压，并不仅仅是简单的静态布尔函数的错误。那么我们需要什么样的技能和知识来协助我们识别并修正这些问题？不管是芯片级工程师还是更高层的电路板或系统级的工程师，解决方案往往存在于晶体管级的芯片特性之中。
　　电子学的知识是层级化的。半导体物理使用模型公式描述了二极管和晶体管的行为，使我们能够计算晶体管电路中的结点电压和支路电流。之后，特定的晶体管组合构成了不同的逻辑门，如反相器、“与非”门、“或非”门、传输门、D触发器，以及由任意的布尔表达式导出的更复杂的组合逻辑门。这些逻辑门从电学上实现了布尔运算，定义了计算机的行为。我们必须理解它们的特性。电压、电流、温度、功耗、传输延时和噪声容限都具有什么特性？
　　主时钟振荡器通过脉冲来驱动时序电路，使布尔运算的数据在计算机中的传输同步。时钟的速度是一个重要的参数，它常常是顾客在购买计算机时关注的首要规格指标。第二重要的指标可能是计算机存储器的容量。大量的存储器电路被嵌入计算机芯片中。那么，什么是标准存储器单元？存储器又是如何组织的？现代计算机芯片会将占总数70%的晶体管用于嵌入式存储器中。相比于将信号发往电路板上的外部存储器进行运算再取回，嵌入芯片中的存储器可以实现更快的运算速度。
　　我们可能把计算机领域发生的各种奇迹看作理所应当的——例如互联网、智能手机、电子邮件、Google、汽车电子设备、生物医疗器械、GPS、YouTube、即时新闻、天气预报、体育新闻、电子书、Facebook，没错，还有电子游戏。你可能会问：“难道不是一直都这样吗？”答案是否定的——这些应用直到20世纪90年代早期才出现，所有这些现代产品都依赖于快速、成本低廉的小型计算机芯片。
　　晶体管和计算机——“愿得白首不分离”
　　为了对我们的课程有更好的认识，让我们追溯一下数字计算机发展过程中电子技术的进步，以及电子学在互联网中的作用。我们不仅看到计算机向更小、更快、更廉价的方向发展的趋势，还看到了多种因素引人注目的相互作用。互联网不是凭空出现的，计算机也不是。
　　X我们所知道的第一个计算机电路叫作触发器，由英国人Eccles和Jordan在近100年前发明。一个触发器会保持在两个电平状态的其中之一，直到一个外部电压脉冲将其触发到另一个状态为止。触发器存储了一个电平状态。那时候，人们还没有提出“计算机”的概念，因而触发器在发明之后沉睡了许多年。但如今，从先进的互联网服务器芯片，到现代咖啡机或洗碗机中的芯片，每片都有数百万个触发器。触发器是同步数据传输的核心所在。
　　在20世纪30年代后期，结合了布尔代数和机械开关的原始计算机被用来实现简单的计算操作。第二次世界大战激发了人们使用计算机进行科学计算的兴趣。第一台真空管计算机是1946年宾夕法尼亚大学制造的ENIAC。按照当时的标准，100kHz的时钟频率已经很快了。ENIAC重30t，尺寸为80×8.5×3.5ft3（1ft=0.3048m），功耗为150kW。古老的触发器如今已经是计算机电子电路中不可或缺的一部分。然而，真空管是一个体积相对较大的器件，它需要一个玻璃密封的真空腔以及加热的金属填充纤维。这种真空管可靠性很差，而且其冷却是一个大问题。因而计算机需要一种更好的器件。
　　在20世纪30年代，贝尔实验室发现，可以在纯的固态材料中构造出小型开关元件。贝尔实验室当时考虑用其替换电话交换中心那些又慢又笨重的继电器，而没有想到用其发展计算机。在1947年，他们取得了伟大的发现——一个叫作“晶体管”的小型固态器件。大约5年后，数家公司都推出了晶体管计算机产品。晶体管使计算机向体积更小、功耗更低且更可靠的方向迈出了重大的一步。这些计算机使用的是装在小型金属罐内的分立的（单独的）晶体管，而不是此后出现的具有数十亿晶体管的小型集成电路芯片。这些称作“大型机”的计算机仍然需要放在专用的、冷却良好的屋子里，不过，20世纪70年代的另一个革命性发明使得计算机发展又迈出了坚实的一步。
　　事实上，在晶体管层发生过许多变化。首先是原贝尔实验室的“双极型晶体管”（Bipolar Junction Transistor，BJT）很快被一种更新型的器件替代，它称作“金属氧化物半导体场效应晶体管”（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。一种将MOSFET混合连接的设计风格称作CMOS，其功耗显著减小。功耗更小的CMOS使得一块芯片上能放置更多的晶体管，而不必担心芯片过热，因而提高了计算机性能。CMOS还有一个特殊的性质，就是当晶体管尺寸变小时，晶体管的工作速度会更快。
　　CMOS晶体管的第三个特点是，其更小的尺寸使得一次流片可以制造出更多的芯片，因为每一块芯片的总面积减小了。每次工艺流程可以容纳更多的芯片，因而使晶体管的成本降低。工业生产中通常将芯片的尺寸保持不变，只是在每个芯片中加入更多的晶体管，以提高性能。
　　最后一个特点则是，若生产进程中使芯片失效的小型粒子缺陷的密度保持不变，则在同样的面积里封装更多的芯片将提高合格芯片所占的比率（即成品率，yield）。这将使得晶体管的制造成本大大降低。从大约1980年开始，CMOS便在计算机芯片设计中占据主导地位，如今CMOS技术仍然是产业飞速发展的核心所在。
　　如果下一代晶体管可以做得更小，那么下一代芯片就可以卖出更便宜的价格，这是制造业的一个巨大的奇迹。如今你仍然可以花同样（甚至更少）的钱，买到和几年前同样价位的个人计算机，而更新的芯片有着更快的速度和更强的功能，同时又能将芯片的温度保持在可控制的范围内。以上这些CMOS的特性真正推动了计算机芯片的重大发展。看到这里，读者应该停下来好好想一想CMOS技术的重要性。还有什么其他产品能够每年提供更好的性能而又保持价格不变甚至更低呢？
　　晶体管和计算机——“天长地久有时尽”？
　　20世纪70年代初，Intel公司生产出了第一个微处理器，先是4位的，然后是8位的。产品的创新依托于晶体管级的进步。在1974年，位于新墨西哥州阿尔布开克市的MITS公司制造了第一台个人计算机，即PC（personal computer）。MITS Altair 8000是一台原始的PC，它需要通过拨码开关输入代码，不过它有一个显示器，并且尺寸降到了打字机那么大。它有一个2MHz的时钟，组装好的成品售价498美元。它也是第一台被个人所拥有的计算机。它使用单个微处理器芯片——Intel 8080来实现计算功能。许多工程师都出于好奇而购买了Altair个人计算机。有趣的是，来自阿尔布开克市新兴的微软公司的比尔·盖茨和保罗·艾伦为MITS Altair PC编写了BASIC语言。1977年，苹果公司发布了Apple II PC，售价为1200美元。之前没有人曾体验过这种价格、尺寸和性能的个人计算机，更不要说拥有一台属于自己的计算机。但是1980年上市的IBM PC具有更深远的影响，因为它开创了企业级应用。计算机的发展不曾回头。商业活动从巨大的、乏味的中央计算机房中解放出来。此后，旅行者们又发现，随着笔记本电脑的出现，他们可以在路上做自己的工作。之前随处可见的“打字机”逐渐被淘汰了。
　　PC在信息可达性方面引起了一场难以想象的巨大革命。技术和新兴的企业开始整合。技术与商务企业的合作，以及政府对关键领域的支持促成了这一革命。然而一个巨大的“企业”——因特网，正静静地等待着人们开启它的大门。
　　20世纪60到70年代，因特网在幕后按照自己的步伐悄悄地发展，在背后推其发展的工程师和科学家希望借此打破地域的限制，使用位于全国各地的彼此的专业计算机。1969年10月，正是借助美国国防部高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，ARPA）的政府资助，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的计算机主机才可以使用一个叫作接口信息处理器（Interface Message Processor，IMP）的接口单元，与具备类似接口的斯坦福大学的计算机进行通信。计算机资源的远距离共享实现了。尽管实现了消息（后来叫做电子邮件）的交换，但那时人们认为这种通信能力只是次要的，并不是什么了不起的事情。事实上，网络信息交换的首要作用并没有被广泛宣传。当时人们对这项技术的回应是：“科学家和工程师可以使用彼此的计算机，这不是很好吗？但那与我的生活无关。”这个结论是多么保守啊！
　　接下来的一个重大进步发生在1989年，那时PC制造商开始将内部调制解调器绑定到个人计算机当中。如今因特网向所有人开放。由于用户发现电子邮件是一种很好的商务工具，当时它的使用量涨势惊人，然而，时至今日，人们使用它仅仅只是出于乐趣。鼠标和图形显示器的发明是计算机通向友好用户体验的巨大进步。计算机芯片速度和晶体管集成度的发展遵从所谓的“摩尔定律”（Moore’s Law），大约每两年翻一番。之后，垃圾邮件、病毒和黑客展现了它们丑恶的一面。垃圾邮件占用了昂贵的系统带宽，并且需要更多额外的电能来满足它的胃口。