電子信息概論第三章

第三章電子技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用目錄3.1電路基礎(chǔ)3.2模擬電子線路技術(shù)3.3數(shù)字電路技術(shù)3.4集成電路技術(shù)3.5微電子系統(tǒng)設(shè)計3.1電路基礎(chǔ)電路定義

電路（Electricalcircuit）：是由電氣設(shè)備和元器件，按一定方式聯(lián)接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路。

如電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關(guān)等，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。電路規(guī)模的大小，可以小到硅片上的集成電路，大到高低壓輸電網(wǎng)。根據(jù)所處理信號的不同，電子電路可以分為模擬電路和數(shù)字電路。

模擬電路定義

模擬電路（AnalogCircuit）：是處理連續(xù)性電信號（電壓、電流）的電路。

其典型電路有：放大電路、振蕩電路、線性運算電路（加法、減法、乘法、除法、微分和積分電路）。數(shù)字電路定義數(shù)字電路（Digitalcircuit）：是以二值數(shù)字邏輯為基礎(chǔ)，其工作信號是離散的數(shù)字信號。電路中的電子晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，時而導(dǎo)通，時而截止。典型電路有，振蕩器、寄存器、加法器、減法器等。電路和電路模型

電路是電流的流通路徑。電路的基本功能是實現(xiàn)電能的傳輸和分配或者電信號的產(chǎn)生、傳輸、處理加工及利用。

電路實物模型：電路和電路模型

我們已經(jīng)知道一個最基本的電路必須包含三項要素：電源、負(fù)載、和導(dǎo)線。實際電路在運行過程中的表現(xiàn)卻相當(dāng)復(fù)雜，如圖中電路的電池和燈泡要在數(shù)學(xué)上精確描述卻十分困難。

為了用數(shù)學(xué)的方法從理論上判斷電路的主要性能，必須對實際器件在一定條件下，忽略其次要性質(zhì)，按其主要性質(zhì)加以理想化，從而得到一系列理想化元件。電路中最常用的三個理想元件圖3-1電路常用理想元件

所謂電路模型，就是把實際電路的本質(zhì)抽象出來所構(gòu)成的理想化了的電路。將電路模型用規(guī)定的理想元件符號畫在平面上形成的圖形稱作電路圖。電路模型

電源是電路中極其重要的一個電路元件，它不僅僅是指大家所熟悉電池、發(fā)電機之類的電源，還包括信號源等。按其是否依靠外部能源可分為獨立電源和非獨立電源兩類。電源

獨立電源又可分為獨立電壓源和獨立電流源兩種。電壓源和電流源都是從實際電源抽象得到的電路模型，它們是二端有源元件。獨立電源受控電源

受控（電）源又稱“非獨立”電源。

電壓控制電壓源（VCVS）電壓控制電流源（VCCS）電流控制電壓源（CCVS）電流控制電流源（CCCS）受控電源基爾霍夫定律

1845年，德國人G.R.基爾霍夫提出集總參數(shù)電路中流入節(jié)點的各電流和回路各電壓的固有關(guān)系的法則

基爾霍夫定律：如果將電路中各個支路的電流和支路電壓作為變量來看，這些變量受到兩類約束。一類是元件的特性造成的約束;另一類約束是由于元件的相互連接給支路電流之間或支路電壓之間帶來的約束關(guān)系，有時稱為“幾何”約束或“拓?fù)洹奔s束，

基爾霍夫電流定律（KCL）

基爾霍夫電流定律（KCL）：“在集總電路中，任何時刻，對任一結(jié)點，所有流出結(jié)點的支路電流的代數(shù)和恒等于零”。對任一結(jié)點有:基爾霍夫電壓定律（KVL）

基爾霍夫電壓定律（KVL）指出：“在集總電路中，任何時刻，沿任一回路，所有的支路電壓的代數(shù)和恒等于零”。所以，沿任一回路有：

電路中常用定理

疊加定理戴維南定理諾頓定理

疊加定理

疊加定理：線性電路中，兩個或兩個以上獨立電源同時作用產(chǎn)生的效應(yīng)，等于每個獨立電源單獨作用產(chǎn)生的效應(yīng)之和；

在考慮某獨立電源單獨作用時，其它獨立電源以其內(nèi)阻代替，但所有非獨立電源則仍應(yīng)保留。

戴維南定理

戴維南定理：任何有源線性二端網(wǎng)絡(luò)，可用一個恒壓源串聯(lián)一個等效阻抗來代替。該恒壓源的電動勢，等于二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓（斷開負(fù)載）；而等效阻抗則等于網(wǎng)絡(luò)中的各獨立電源用其內(nèi)阻替代后，在二輸出端呈現(xiàn)的阻抗。

經(jīng)此等效后所得的網(wǎng)絡(luò)，可稱為原網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電路或電壓源的等效電路。

諾頓定理

諾頓定理：任何有源線性二端網(wǎng)絡(luò)，可用一個恒流源并聯(lián)一個等效阻抗來代替。該恒流源的電流等于二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流，而等效阻抗則等于二端網(wǎng)絡(luò)中各獨立電源用其內(nèi)阻替代后在二輸出端呈現(xiàn)的阻抗。

模擬電子線路技術(shù)

電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。

電子技術(shù)已應(yīng)用到社會的方方面面，并極大地促進(jìn)了社會的發(fā)展。然而，無論是小到納米級的電子芯片還是大到幾十噸的航天器材。其功能電路的組成都離不開電子技術(shù)的基本元器件。已由分立的電子器件的組合向集成化和模塊化的方向發(fā)展。模擬電子線路技術(shù)

半導(dǎo)體概述

在自然界，物質(zhì)按其導(dǎo)電性可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。其中導(dǎo)電性能很強的，如銅、鋁、鐵等稱為導(dǎo)體。另一些物質(zhì)諸如橡皮、膠木、瓷制品等不能導(dǎo)電，我們稱之為絕緣體。還有一些物質(zhì)，如硅、硒、鍺、銦、砷化鎵以及很多礦石、化合物、硫化物等，它們的導(dǎo)電性能介于金屬導(dǎo)體和絕緣體之間，我們稱之為半導(dǎo)體。純凈不摻雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體中雖然同時存在自由電子和空穴兩種載流子，但數(shù)量少，導(dǎo)電能力較差，導(dǎo)電率也難以按需要人為控制。若在本征半導(dǎo)體材料中摻入很微量的某種雜質(zhì)元素，會使其導(dǎo)電性極大地增加，并且隨著雜質(zhì)元素?fù)饺肓康牟煌瑢?dǎo)電能力也能夠加以控制，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。若摻入微量元素是五價元素（如磷），這種雜質(zhì)半導(dǎo)體叫做N型半導(dǎo)體；若加入的是三價微量元素（如硼）則稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體。

PN結(jié)

將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過特殊的工藝結(jié)合在一起，則在這兩種半導(dǎo)體的交界面會出現(xiàn)一個極薄的特殊層（大約只有幾個微米），這個薄層就是PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體二極管

半導(dǎo)體二極管是PN結(jié)形成后的一個產(chǎn)物，常用實物圖如下圖，它是組成電子線路重要元器件之一，廣泛應(yīng)用于整流、穩(wěn)壓、限幅、鉗位、檢波、續(xù)流等。半導(dǎo)體二極管的類型

半導(dǎo)體二極管的類型很多。

按材料分，二極管可分為硅二極管和鍺二極管；按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分，二極管可分為點接觸、面接觸和平面型等類型；按用途分，二極管又可分為整流二極管、穩(wěn)壓二極管、檢波二極管、發(fā)光二極管、開關(guān)二極管等。

在實際生活中我們用到較多的二極管是一些特殊的二極管，下表列出了其中的一部分。半導(dǎo)體二極管的類型雙極性晶體管

雙極性晶體管又稱半導(dǎo)體晶體管或雙極性三極管。常用三極管實物圖如圖所示。三極管的一個重要特性就是放大作用，正是此特性使得它在電子線路中的用途非常之大。雙極性晶體管的分類按材料可分為硅管和鍺管；按類型可分為平面型和合金型；按工作頻率可分為高頻管和低頻管；按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為NPN型和PNP型；按耗散功率不同可分為小功率管和大功率管按使用用途則可分為：普通管、低噪聲B管、功率放大管、高頻管、開關(guān)管和達(dá)林管等。NPN型和PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號圖

場效應(yīng)管

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor）作為半導(dǎo)體器件中的重要一員，也就是一種通過輸入信號控制輸出電流的器件。場效應(yīng)管也是一個具有兩個ＰＮ結(jié)的半導(dǎo)體三端器件。但場效應(yīng)管的工作原理與三極管截然不同，場效應(yīng)管是利用改變電場來控制半導(dǎo)體載流子運動，而不是象三極管那樣用輸入電流控制ＰＮ結(jié)的電場。場效應(yīng)管除了具有雙極性場效應(yīng)管的體積小、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點外，還具有輸入阻抗高、動態(tài)范圍大、熱穩(wěn)定性能好、抗輻射能力強、制造工藝簡單等優(yōu)點。

場效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣型兩大類，即結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣型場效應(yīng)管。每種類型的場效應(yīng)管都具有柵極Ｇ、源極Ｓ和漏極Ｄ３個工作電極。同時，每種類型的場效應(yīng)管都由Ｎ溝道和Ｐ溝道兩種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

場效應(yīng)管

結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管是一種利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，結(jié)型場效應(yīng)管有N溝道JFET和P溝道JFET兩種類型。

絕緣柵型場效應(yīng)管與結(jié)型場效應(yīng)管相同:絕緣柵型場效應(yīng)管也是利用電場控制載流子的工作原理設(shè)計而成的。與結(jié)型場效應(yīng)管不同:絕緣柵型場效應(yīng)管有絕緣柵，并因此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱為MOS管。它的柵-源間電阻比結(jié)型效應(yīng)管大得多，還因為它比結(jié)型場效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時工藝簡單，而廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。MOS管的四種類型為：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管和P溝道耗盡型管。

幾種場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)圖和符號

模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用

放大電路：麥克風(fēng)將人的聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，而電信號經(jīng)過擴音設(shè)備中的放大電路放大后，就會輸出足夠大的信號功率，推動揚聲器發(fā)出宏亮的聲音。

模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用

當(dāng)天氣變化頻繁，氣溫忽高忽低時，人就容易感冒，容易生病。機器設(shè)備與人也相似，當(dāng)它的輸入電壓不穩(wěn)定，儀器設(shè)備的使用壽命就會降低，特別是對于一些精密的儀器部件，它對輸入源的要求更高，輸入源的波動必須很小。當(dāng)波動稍微過大時，它就可能損壞。為了避免機器設(shè)備的這種損耗，我們就必須保證機器設(shè)備具有穩(wěn)定的輸入源，而這很難靠外力實現(xiàn)，必須在輸電路中設(shè)置穩(wěn)壓電路。

模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用

左邊是兩種常見穩(wěn)壓器，右邊是無反饋穩(wěn)壓電路的結(jié)構(gòu)圖

模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用

集成運放應(yīng)用：我們在平常的學(xué)習(xí)中常常會碰到一些運算比較繁雜的算術(shù)運算，而僅僅通過筆和紙是很難算出來的，這就需要我們借助于計算器，運用計算器幫我們解決那些繁瑣的運算。但這樣一個小小的電子器件是如何完成算術(shù)運算的呢？集成運放電路將為我們給出答案。

模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用集成運放應(yīng)用-加法電路模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用上圖中電路中的三個阻值相等，并在電路的輸出端添加反相器，那么輸出的電壓就等于輸入電壓之和。如果將輸入電壓與運算值匹配，則該電路也就實現(xiàn)了最基本的加法運算。集成運算放大電路除了加法運算電路外，還有減法運算電路、乘法運算電路、除法運算電路和微積分運算電路。下圖較形象地描述了這些電路與計算器的關(guān)系.模擬電子電路的基礎(chǔ)應(yīng)用數(shù)字電路技術(shù)

數(shù)字電路技術(shù)

數(shù)字電路的產(chǎn)生和發(fā)展是電子技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志，數(shù)字電路在現(xiàn)代電子技術(shù)中占有十分重要的地位。由于數(shù)字電路比模擬電路具有更多獨特的優(yōu)點，因此它在通信、電視、雷達(dá)、自動控制、電子測量、電子計算機等科學(xué)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用，數(shù)字電路應(yīng)用的廣度和深度標(biāo)志著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展水平。數(shù)字電路技術(shù)模擬電子電路與數(shù)字電路的差別。數(shù)字電路的基本概念與特征

用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。在數(shù)字邏輯中，使用邏輯變量作為基本量，數(shù)字邏輯中使用的邏輯變量只能取邏輯1或邏輯0兩種邏輯值。邏輯變量之間的關(guān)系，構(gòu)成了數(shù)字邏輯系統(tǒng)的基本邏輯關(guān)系。數(shù)字邏輯電路只能處理代表邏輯變量的電信號—數(shù)字邏輯信號。數(shù)字電路分類

數(shù)字電路按功能來分，有組合邏輯電路和時序邏輯電路；按電路有無集成元器件來分，有分立元件數(shù)字電路和集成數(shù)字電路；按集成電路的集成度進(jìn)行分類，有小規(guī)模集成數(shù)字電路、中規(guī)模集成數(shù)字電路、大規(guī)模集成數(shù)字電路和超大規(guī)模集成數(shù)字電路。按照電路所用的器件的不同，數(shù)字電路可分為雙極性（晶體三極管型）電路和單極型電路（場效應(yīng)管型）兩大類。其中雙極型電路常用的類型又有標(biāo)準(zhǔn)型、高速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等。數(shù)字集成電路的基本邏輯電路

數(shù)字電路的系統(tǒng)集成，是指把完整的系統(tǒng)功能集成在一塊集成電路芯片中。集成后的系統(tǒng)滿足所有功能和技術(shù)指標(biāo)，用戶不必再對系統(tǒng)進(jìn)行功能和技術(shù)指標(biāo)調(diào)試，只要根據(jù)使用要求附加少量外部元器件，就可以設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)。與或非三種邏輯門

非門輸入與輸出信號反向（即輸入為高電平時輸出為低電平，或輸入為低電平時輸出為高電平）的數(shù)字邏輯電路，叫做非門電路。非門的輸入與輸出永遠(yuǎn)是反向關(guān)系。與或非三種邏輯門與門。所有輸入信號同為高電平時輸出才是高電平，否則輸出為低電平，這樣的數(shù)字邏輯電路叫做與門電路。如有三個輸入信號A、B和C的數(shù)字邏輯電路，只有當(dāng)A、B和C同時為高電平時，電路輸出才是高電平，否則為低電平。這個數(shù)字電路叫做與門電路與或非三種邏輯門所有輸入信號中，只要有一個信號為高電平，輸出就是高電平，這樣的數(shù)字邏輯電路叫做或門電路。如有三個輸入信號A、B和C的數(shù)字邏輯電路，只要A、B和C中有一個為高電平，電路輸出就是高電平。這樣的數(shù)字邏輯電路所代表的運算關(guān)系就是邏輯運算中的或運算，

數(shù)字電路的應(yīng)用

組合邏輯電路：組合邏輯電路是指用數(shù)字邏輯電路器件所實現(xiàn)的邏輯表達(dá)式或真值表。組合邏輯電路的特點是電路輸出與電路原來所處的狀態(tài)無關(guān)組合邏輯電路的基本單元屬于數(shù)字邏輯信號處理電路的基礎(chǔ)。組合邏輯電路的基本電路模塊一般包括數(shù)據(jù)開關(guān)、邏輯表達(dá)式組合邏輯、編譯器，以及邏輯函數(shù)發(fā)生器等。

組合邏輯電路

假如，要設(shè)計一個表決器，由三個人來進(jìn)行表決。每人一個按鍵，如果同意則按下，不同意則不按。結(jié)果用指示燈表示，多數(shù)同意時指示燈亮，否則不亮。這樣一個簡單的表決器的設(shè)計就會用到組合邏輯電路思想。首先指明邏輯符號的含義，根據(jù)題意列出邏輯狀態(tài)表，畫出卡諾圖，寫出表達(dá)式，然后根據(jù)表達(dá)式設(shè)計出電路。

組合邏輯電路

表決器電路設(shè)計流程

觸發(fā)器和時序邏輯電路

時序邏輯電路是指用數(shù)字邏輯電路器件所實現(xiàn)的邏輯狀態(tài)方程。時序輸出不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)，還與電路原來所處狀態(tài)有關(guān)。時序電路的基本單元是觸發(fā)器。常用時序電路有：寄存器、移位寄存器、計數(shù)器、序列信號發(fā)生器等。例：設(shè)計一個四人搶答電路。四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應(yīng)的指示燈亮。并且，其它鈕再按下,不起作用。該電路的核心就是74LS175四D觸發(fā)器。3.4集成電路技術(shù)

集成電路概述

集成電路的分類

集成電路設(shè)計流程

集成電路概述

集成電路（IntegratedCircuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。

集成電路特點集成電路具有體積小、重量輕、引出線和焊接點少、壽命長、可靠性高、性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。它不僅在工、民用電子設(shè)備如收錄機、電視機、計算機等方面得到廣泛的應(yīng)用；同時在軍事、通訊、遙控等方面也得到廣泛的應(yīng)用。用集成電路來裝配電子設(shè)備，其裝配密度比晶體管可提高幾十倍至幾千倍，設(shè)備的穩(wěn)定工作時間也可大大提高。

集成電路的發(fā)展自1958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經(jīng)跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規(guī)模幾個臺階，集成度平均每2年提高近3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。1985年，1兆位ULSI的集成度達(dá)到200萬個元件，器件條寬僅為1微米；1992年，16兆位的芯片集成度達(dá)到了3200萬個元件，條寬減到0.5微米，而后的64兆位芯片，其條寬僅為0.3微米。

集成電路的發(fā)展下表為集成電路的發(fā)展規(guī)模和元件的集成度。

集成電路的發(fā)展

集成電路制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構(gòu)成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石。集成電路的分類

按功能結(jié)構(gòu)分類：集成電路按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路和數(shù)/?；旌霞呻娐啡箢?。模擬集成電路又稱線性電路,用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間邊疆變化的信號。例如半導(dǎo)體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關(guān)系。數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號）。集成電路的分類

按制作工藝分類。集成電路按制作工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和薄膜集成電路。膜集成電路又分為厚膜集成電路和薄膜集成電路。集成電路的分類按集成度的高低分類。集成電路按集成度高低的不同可分為小規(guī)模集成電路、中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路、特大規(guī)模集成電路和巨大規(guī)模集成電路。集成電路的分類按導(dǎo)電類型的不同分類。集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路,他們都是數(shù)字集成電路。集成電路的分類按用途分類。集成電路按用途可分為電視機用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦（微機）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。集成電路的分類按應(yīng)用領(lǐng)域分。集成電路按應(yīng)用領(lǐng)域可分為標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路和專用集成電路。集成電路的分類按外形分。集成電路按外形可分為圓形(金屬外殼晶體管封裝型，一般適合用于大功率)、扁平型(穩(wěn)定性好,體積小)和雙列直插型。

集成電路設(shè)計流程

集成電路是微電子技術(shù)的核心，具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。它不僅在軍事、通訊、遙控等方面得到廣泛的應(yīng)用，而且在工業(yè)、民用電子設(shè)備，如收錄音機、電視機、計算機等方面也得到廣泛的應(yīng)用。在通信技術(shù)領(lǐng)域，大容量的交換機需要高速工作的集成電路作中央處理，不計其數(shù)的用戶終端都需要集成電路芯片。數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)需要使用大量的集成電路如A\D、D\A轉(zhuǎn)換器、乘法器、移位寄存器、濾波器、存儲器和編解碼器等。在信號處理技術(shù)中，例如調(diào)制和解凋、語音處理、圖象處理和識別、波形分析、控制信號處理等各方面近年來都成為集成電路特別是專用集成電路應(yīng)用的重要領(lǐng)域。例如，專用的數(shù)字信號處理器DSP，就是把特定的快速數(shù)子信號處理算法用硬件實現(xiàn)，用于特定的電子設(shè)備中。集成電路設(shè)計要求第一，功能正確，并在第一次投片流水后就能達(dá)到設(shè)計要求；第二，電學(xué)性能經(jīng)過優(yōu)化，特別是在速度和功耗方面達(dá)到原定指標(biāo)；第三，芯片面積盡可能小，以降低制造成本；第四，設(shè)計的可靠性，在工藝制造允許的誤差范圍內(nèi)仍能正確工作；第五，在制造過程中和完成后能夠全面和快速的進(jìn)行測試。集成電路設(shè)計流程

第一步，系統(tǒng)描述，包括明確系統(tǒng)功能和性能要求，確定芯片尺寸、工作速度和功耗等，它是一個綜合說明；第二步，功能設(shè)計，包括算法的確定和功能框圖的設(shè)計，常用時序圖解或模塊關(guān)系圖解來改進(jìn)整個設(shè)計過程；

第三步，邏輯設(shè)計，利用文本、原理圖或邏輯圖及布爾方程表示邏輯結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計，并對邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬驗證和優(yōu)化；第四步，電路設(shè)計，綜合考慮邏輯部件的電路實現(xiàn)，并用詳細(xì)的電路圖來表示電路設(shè)計；第五步，版圖設(shè)計，就是把元件和元件的連接轉(zhuǎn)換成幾何表示，且必須符合與制造工藝有關(guān)的設(shè)計規(guī)則要求；第六步，設(shè)計驗證，主要是為了確保版圖滿足制作工藝要求和符合系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范；

第七步，模擬和仿真，把有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬環(huán)境下的模擬和仿真，以檢查系統(tǒng)的正確性，以便對系統(tǒng)進(jìn)行快速改進(jìn)和優(yōu)化；第八步，制造，包括硅片準(zhǔn)備、雜質(zhì)注入、擴散、光刻和外延等工藝，通過這些工藝在硅片上形成所需的電路或系統(tǒng)；最后，封裝和測試，除去測試不合格的芯片。實際設(shè)計可能會在某個步驟或幾個步驟間反復(fù)進(jìn)行，若采用計算機軟件設(shè)計的方法，可以減少設(shè)計時間，實現(xiàn)高效率的設(shè)計。集成電路芯片制造工藝

氧化工藝摻雜工藝光刻工藝刻蝕工藝氧化工藝

在室溫下，硅在空氣中暴露會被氧化而在表面上形成氧化膜，氧化膜相當(dāng)致密，能阻止更多氧原子通過它繼續(xù)氧化，從而對某些雜質(zhì)起到掩蔽作用。這種二氧化硅膜不但能緊緊依附在硅襯底上，而且具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性和電絕緣性。利用這些特點，人們制備各種二氧化硅來用作器件的保護(hù)層和鈍化層、絕緣材料和電容器的介質(zhì)膜等。摻雜工藝

摻雜是將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、晶體管等。在集成電路生產(chǎn)中，常用的雜質(zhì)元素為硼、磷、砷等，摻雜工藝主要包括擴散和離子注入技術(shù)。光刻工藝

光刻工藝就是利用光敏的抗蝕涂層發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，按照確定的版圖圖形，結(jié)合刻蝕方法在各種薄膜上（如SiO2等絕緣膜和各種金屬膜）制備出合乎要求的電路圖形，包括形成金屬電極和布線、表面鈍化以及實現(xiàn)選擇性摻雜。由于集成電路有一定的空間結(jié)構(gòu)，需多次使用光刻，所以氧化工藝與光刻工藝的結(jié)合構(gòu)成了整個平面工藝的基礎(chǔ)。目前用于研究和生產(chǎn)的光刻技術(shù)有接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻四種。

光刻工藝第一步，清洗表層；第二步，涂甩光刻膠；第三步，烘干；第四步，曝光；第五步，顯影；第六步，堅膜；第七步，腐蝕；最后，去膠。

刻蝕工藝

光刻方法制成的光刻膠的微圖形結(jié)構(gòu)，只能給出成電路的形貌，并不是真正的器件結(jié)構(gòu)。為獲得器件的結(jié)構(gòu)必須把光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠下面的各層材料上面去?？涛g的主要內(nèi)容就是把經(jīng)曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層材料的裸露部分去掉，即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形。

主要方法有兩種：濕法刻蝕和干法刻蝕。3.5微電子系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計方法分類門陣列可編程陣列邏輯（PAL）通用陣列邏輯（GAL）現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）專用集成電路（ASIC）SoC設(shè)計微電子系統(tǒng)設(shè)計

微電子系統(tǒng)中最具代表性的設(shè)計是微處理器的設(shè)計。微處理器就是把計算機的中央處理單元用大規(guī)模集成電路工藝制造在一塊硅片上。這種芯片可以按程序工作以實現(xiàn)一系列復(fù)雜的功能，處理各種信息。

它的出現(xiàn)把龐大的計算機體積降低了一千萬倍，甚至更高，而速度卻提高了幾千萬倍。它的出現(xiàn)使微型計算機迅速進(jìn)入家庭，使信息技術(shù)爆炸并滲透到人類社會的每一個領(lǐng)域。微電子系統(tǒng)的發(fā)展20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了第一代集成電路設(shè)計自動化系統(tǒng)，即計算機輔助設(shè)計CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)使設(shè)計人員擺脫了繁復(fù)、易出錯誤的手工畫圖，大大提高了效率；20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了第二代設(shè)計自動化系統(tǒng)，稱為計算機輔助工程CAE系統(tǒng)，這個比較完整的系統(tǒng)大大減輕了版圖設(shè)計的工作量；進(jìn)入20世紀(jì)90年代，芯片的復(fù)雜度越來越高，采用硬件描述語言HDL的設(shè)計方法應(yīng)運而生，于是出現(xiàn)了第三代設(shè)計自動化系統(tǒng)EDA，其特點是高層次設(shè)計的自動化。引入了硬件描述語言和行為綜合與邏輯綜合工具，采用層次化方法進(jìn)行管理，大大提高了處理復(fù)雜設(shè)計的能力，與此同時，芯片的面積、速度、功耗都能獲得極大的優(yōu)化，設(shè)計所花時間大大縮短，因而EDA系統(tǒng)迅速得到推廣應(yīng)用。設(shè)計方法分類1）全定制設(shè)計方法2）半定制設(shè)計方法3）可編程邏輯器件（PLD）法4）硅編譯法5）混合模式設(shè)計方法門陣列

門陣列是在硅片上以矩陣的方式排列邏輯門電路并預(yù)先制成集成電路的半成品，常稱為母片，存放在工廠里。當(dāng)用戶提出需求時，經(jīng)過簡單設(shè)計并完成金屬連接加工，便可稱為商品出貨。門陣列已有系列化產(chǎn)品出現(xiàn)，規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)萬門，十幾萬門的門陣列已研制成功。門陣列現(xiàn)有CMOS、nMOS、TTL和BiCMOS等不同工藝。門陣列設(shè)計的優(yōu)點是設(shè)計自動化程度較高，設(shè)計周期短，設(shè)計成本低。因為母片已完成了整個集成電路制造工藝的大部分流程。當(dāng)用戶提交了邏輯圖之后，只要進(jìn)行基本單元內(nèi)部布線和基本單元之間的互連就可以了，因此我們把這種器件稱為半用戶器件或半定制器件。門陣列設(shè)計缺點是布圖密度低，并且品種有限，為了使所有單元間的連線能布通，因而勢必造成芯片面積利用率的下降。可編程陣列邏輯（PAL）

可編程陣列邏輯是70年代后期MMI公司推出的可編程邏輯器件。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。在PAL器件中，與門陣列是可編程的，或門陣列是固定連接的，它有多種輸出和反饋結(jié)構(gòu)，為數(shù)字邏輯設(shè)計帶來了一定的靈活性。但PAL仍采用熔斷絲工藝，一次性編程后就不能再改寫。另外，還要根據(jù)不同的需要選擇不同輸出的器件，仍給用戶帶來諸多不便。通用陣列邏輯（GAL）

通用陣列邏輯（GenericArrayLogic，GAL）是1985年由美國LATTICE公司開發(fā)并商品化的一種新型PLD器件。它是在PAL器件的基礎(chǔ)上綜合了E2ROM和CMOS技術(shù)發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，GAL實現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，使得該器件的編程非常方便，另外由于其輸出采用了邏輯宏單元結(jié)構(gòu)使得電路的邏輯設(shè)計更加靈活。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）現(xiàn)場可編程門陣列是在通用陣列邏輯GAL、可編程陣列邏輯PAL、可編程邏輯器件PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。利用FPGA，工程師可以通過原理圖與硬件描述語言設(shè)計相結(jié)合的層次化方法設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。FPGA可達(dá)到1000萬個可用門，片內(nèi)可集成處理器、DDR控制器、以太網(wǎng)控制器、Flash控制器、UART控制器以及硬件乘法器，甚至DSP等資源。同時FPGA兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。專用集成電路（ASIC）大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，促使它向著科學(xué)技術(shù)其它領(lǐng)域進(jìn)行滲透。大量生產(chǎn)并標(biāo)準(zhǔn)化的通用集成電路一般不能滿足所有用戶的要求，于是與CPU、ROM、RAM、A\D和D\A變換器等通用集成電路概念相對應(yīng)的專