01 第1章 硬件描述语言和数字系统设计概述.pptx

第1页：第1章概述

硬件描述语言和数字系统设计

第2页：第1章主要内容

主要内容

1.1模拟信号与数字信号的区别与联系1.2集成电路发展历史1.3数字集成电路设计工艺相关1.4CMOS基本逻辑门

第3页：模拟信号与数字信号的区别与

1.1.1

模拟手机与数字手机

1.1.2

模拟电视与数字电视

第4页：模拟手机与数字手机

模拟手机即“大哥大”。在香港一些警匪片中，黑社会资格较老的成员一般称为“大哥”而头头、老板之类则称为“大哥大”。由于这些“大哥大”常手拿“移动电话”在屏幕上出现，所以人们便把“移动电话”叫“大哥大”。

图1 大哥大

第5页：那时的大哥大

要卖到1万多，用的人很少，使用大哥大，是有钱人的象征。站在路边打个电话，很风光！

图2 大哥大使用情况

第6页：模拟手机与数字手机（续1）

模拟手机与数字手机

图3 大哥大和数字手机对比

第7页：模拟手机是用电流的强弱来模拟声音音调

• 的高低。模拟信号在长距离传输和多次加工放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失，声音失真或信号中断。这样的模拟手机要建设很多的通讯塔来保护信号。
• 而数字手机就用数字0和1的不同组合的数字串来代表声音，这样使声音失真少信号强。如：GSM(2G)、GPRS(2代半)、CDMA（3G）、下一代手机…

第8页：iPad与iPhone对比思考

思考

iPod、iPad与iPhone问题：1，它们有什么区别？2，它们主要是数字电路还是模拟电路？3，根据大家专业所学或所了解的，你认为它们是如何设计实现出来的？

第9页：iPad与iPhone

iPad与iPhone

第10页：iPad与iPhone（续1）

iPad与iPhone

第11页：iPad与iPhone（续2）

iPad与iPhone

第12页：iPad

iPad

第13页：iPad（续1）

iPad

第14页：iPhone

iPhone

第15页：iPhone（续1）

iPhone

第16页：思考：iPod、iPad（续1）

思考

iPod、iPad与iPhone问题：1，它们有什么区别？2，从电路上看，它们主要是数字电路还是模拟电路？3，根据大家专业所学或所了解的，你认为它们是如何设计实现出来的？提示：

• iPod是数码播放器，包括mp3、mp4等Nano、shuffle、video；
• iPhone是手机，功能齐全；
• iPad是平板电脑。

第17页：模拟电视与数字电视

2001年10月，广电总局明确提出:

• 到2005年我国有线数字电视用户超过3000万户；
• 2010年全面实现数字广播电视；
• 2015年停止模拟广播电视的播出。

第18页：模拟电视：图象信号的产生、传输

处理到接收机的复原，整个过程几乎都是在模拟体制下完成的。其特点是采用时间轴取样，每帧在垂直方向取样，以幅度调制方式传送电视图象信号。为降低频带，同时避开人眼对图象重现的敏感频率，将1帧图象又分成奇、偶两场扫描。加上20世纪六、七十年代期间，确定模拟电视主要技术参数时，其相关理论和技术的缺陷，使传统的模拟电视存在易受干扰、色度畸变、亮色串扰、行串扰、行蠕动、大面积闪烁、清晰度低和临场感弱等缺点。在模拟领域，无论怎样更新、改进硬件结构，电视所应有的功能和声像质量还远没有达到，不足以使其全面地发生根本性的变革。

第19页：数字电视：严格地说就是从信源开始

将图象画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编码成多位数码，再经过高效的信源压缩编码和前向纠错、交织与调制等信道编码后，以非常高的比特率进行数码流发射、传输和接收的系统工程。在接收端的显像管和扬声器的输入端，得到的是模拟图象信号（高质量图象）和模拟音频信号（环绕立体声或丽音效果）。数字电视能带来高质量的画面，功能更加丰富，高质量的音效，丰富多彩的电视节目，还具备交互性和通信功能。

第20页：集成电路发展历史

1.2.1

集成电路工艺发展情况

1.2.2

常见集成电路制造厂(Foundry)情况

第21页：集成电路工艺发展情况

图41947 年第一个晶体管

第22页：1970’s出现nMOS晶体管便宜

• ’s出现nMOS晶体管便宜但是静态下也消耗功率于是,出现CMOS具有低静态功耗

第23页：Intel 1101 256-bit S

Intel CPU早期图5 Intel 1101 256-bit SRAM

图6 Intel 4004 4-bit mProc

第24页：Intel奔腾CPU早期

图7 Intel奔腾CPU早期

第25页：IntelPIV

Pentium® 4“Northwood”CommercialProduction: Year 2001L=0.13µm6ML CuLow-kFC-PGA2

图8 IntelPIV

第26页：多晶硅工艺发展情况

yrs + 2 yrs delay*9 yrs? + 2 yrs delay?9 yrs + ?yrs delay675mm/2021?450mm/2012?300mm/2001200mm/1990(125/150mm-1981)We are hereWhen doesthis happen?

图9 多晶硅工艺发展情况

第27页：20µm Geometry/SMIC

图10 0.20µm Geometry/SMIC 0.13µm

第28页：未来工艺MEMS 1/2The

图11 未来工艺MEMS 1/2The world's smallest guitar is 10 micrometers long

第29页：未来工艺MEMS 2/2

图12 未来工艺MEMS 2/2

第30页：eDRAM嵌入式存储工艺

图13 eDRAM (embedded DRAM)存储工艺

第31页：摩尔定律1965年

英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来。其内容是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。Integration Levels1.SSI: Small-scale Integration, Gates< 102.MSl: Medium-scale Integration, 10<Gates< 10003.LSl:Large-scale Integration, Gates> 10004.VLSI: Very Large-scale Integration, Gates>1000005.SoC: Million Gate, Software & Hardware.

第32页：常见集成电路制造厂

集成电路常见FOUNDRY厂SMICTSMCUMC1ST SILICON英特尔Fab 68工厂(90nm 300mm/12英寸)

第33页：中芯国际Foundry厂1/12

图14 中芯国际Foundry厂1/12

第34页：中芯国际Foundry厂2/12

图15 中芯国际Foundry厂2/12

第35页：中芯国际Foundry厂3/12

图16 中芯国际Foundry厂3/12

第36页：中芯国际Foundry厂4/12

图17 中芯国际Foundry厂4/12

第37页：中芯国际Foundry厂5/12

图18 中芯国际Foundry厂5/12

第38页：中芯国际Foundry厂6/12

图19 中芯国际Foundry厂6/12

第39页：中芯国际Foundry厂7/12

图20 中芯国际Foundry厂7/12

第40页：中芯国际Foundry厂8/12

图21 中芯国际Foundry厂8/12

第41页：中芯国际Foundry厂9/12

图22 中芯国际Foundry厂9/12

第42页：中芯国际Foundry厂10/12

图23 中芯国际Foundry厂10/12

第43页：中芯国际Foundry厂11/12

图24 中芯国际Foundry厂11/12

第44页：中芯国际Foundry厂12/12

图25 中芯国际Foundry厂12/12

第45页：数字集成电路设计工艺相关

1.3.1

半导体掺杂与PN结

1.3.2

nMOS，pMOS与等效开关模型

第46页：半导体掺杂与PN结

杂质半导体

1)N型半导体：硅(Silicon)+五价元素(如磷)，利用自由电子导电。2)P型半导体：硅(Silicon)+三价元素(如硼)，利用空穴导电。

图26 半导体掺杂

第47页：PN结：一种在P型半导体和N型半导体之间

形成二极管的结。PN结中电流的方向是单向的。

图27 PN结

第48页：nMOS

pMOS与等效开关模型nMOS晶体管:1.四个端子：栅极、源极、漏极、衬底。2.栅-氧-衬底堆叠像电容结构一样-栅极和衬底是导体-氧化层是很好的绝缘体-称为金属氧化半导体(MOS)电容-栅极不一定用金属制作

第49页：nMOS栅极为低电平的时候nMOS操作

a）nMOS栅极为低电平的时候nMOS操作:

• 衬底一般拉到地
• 栅极为低电平时-P型衬底为低-源衬和漏衬二极管处于关断态-没有电流，晶体管处于关断态

第50页：nMOS截止

nMOS截止

• Vgs<VTH
• Ids= 0VTH：阈值电压图28 nMOS截止

第51页：nMOS栅极为高电平的时候栅极为高电平时

b）nMOS栅极为高电平的时候栅极为高电平时:-正电荷聚集在MOS电容的栅极-负电荷被拉到衬底-在栅极下面形成反型沟道(n型沟道)-现在，电流可以从源极通过沟道流向漏极，晶体管处于导通状态。

第52页：nMOS导通

Vgs> VTH图29 nMOS导通

第53页：等效开关模型MOS

管（nMOS、pMOS）是电压控制开关，在栅极的电压控制源漏之间的通道

图30 MOS开关模型

第54页：CMOS基本逻辑门

1.4.1

CMOS反向器

1.4.2

CMOS与非门

1.4.3

CMOS或非门

1.4.4

CMOS传输门

1.4.5

例题

第55页：CMOS反向器

一图31 CMOS反向器1/3

第56页：CMOS反向器2/3

CMOS反向器二图32 CMOS反向器2/3

第57页：CMOS反向器3/3

CMOS反向器三图33 CMOS反向器3/3

第58页：CMOS与非门

CMOS两输入与非门一

图34 CMOS与非门1/6

第59页：CMOS两输入与非门二图35

CMOS与非门2/6

第60页：CMOS两输入与非门三图36

CMOS与非门3/6

第61页：CMOS两输入与非门四图37

CMOS与非门4/6

第62页：CMOS两输入与非门五图38

CMOS与非门5/6

第63页：CMOS三输入与非门如果所有的输入端

为“1”，则输出端Y为“0”如果任何输入端为“0”，在输出Y为“1”

图39 CMOS与非门6/6

第64页：CMOS或非门

CMOS两输入或非门

图40 CMOS或非门

第65页：CMOS传输门

CMOS传输门一传输门:

• nMOS开关和pMOS开关相连而成。
• EN_L和EN应该是互补的。
• 当nMOS和pMOS同时处于开状态，传输门两端的电阻非常小。

第66页：CMOS传输门二传输门是组成D触发器

的一个重要器件，它是控制D触发器边沿触发的核心电路。应用于D触发器的传输门，其栅极接时钟信号，且N管、P管上的时钟信号互补。

第67页：例题

练习1

说出右边电路的逻辑

第68页：练习2：说出下面电路逻辑

练习2

说出下面电路逻辑

第69页：练习2：答案

练习2：答案

第70页：练习3：画出2路选择器门电路图

。（威盛VIA）

第71页：练习3：答案2选1 MUX符号

gate图：

第72页：4总结

总结

CMOS logic gates静态CMOS：1.nMOS下拉网络2.pMOS上拉网络

第73页：上拉开上拉关1Z下拉关X0下拉开总结

nMOS下拉网络、pMOS上拉网络

第74页：第一次作业：反相器与异或

第一次作业1.画出p-bulkn-well CMOS反向器的cross-section图（剖面图）。2.用CMOS基本逻辑门实现异或（两输入），写出其表达式、真值表，并画出schematic电路原理图。

第75页：课后练习：-常见公司数字IC设计招聘题目

课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目11.please show the CMOS inverter schmatic, layoutand its cross section with P-well process. Plot itstransfer curve (Vout-Vin) And also explaintheoperation region of PMOS and NMOS foreach segment of the transfer curve?（威盛）

第76页：课后练习：-常见公司数字IC设计（续1）

课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目22.用MOS管搭出一个二输入与非门。（扬智电子）3.please draw the transistor level schematic of a cmos2 input AND gateandexplain which input hasfaster response for output rising edge. (lessdelaytime)。（威盛）

第77页：课后练习：-常见公司数字IC设计（续2）

课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目34.画出NOT,NAND,NOR的符号，真值表，还有transistor level的电路。（Infineon）

第78页：课后练习：-常见公司数字IC设计（续3）

课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目45.用一个二选一mux和一个inv实现异或。（飞利浦－大唐）6.画出Y=A*B+C的cmos电路图。（科广）7.用cmos基本逻辑门实现ab+cd。（飞利浦－大唐）8.画出CMOS电路的晶体管级电路图，实现Y=A*B+C(D+E)。（仕兰微电子）

第79页：课后练习：-常见公司数字IC设计（续4）

课后练习-常见公司数字IC设计招聘题目59.给出一个简单的由多个NOT,NAND,NOR组成的原理图，根据输入波形画出各点波形。（Infineon）10.用与非门等设计全加法器。（华为）11.给出两个门电路让你分析异同。（华为）