VLSI设计基础(数字集成电路设计基础)
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spContent=集成电路(Integrated Circuit)在我们的数字化生活中无处不在,是绝大部分电子产品运行的核心,而其中绝大部分是超大规模集成电路(VLSI)。遵循着“摩尔定律”,其集成度、功能和性能的大幅度提升,创造了空前的奇迹。想知道这背后的原理吗?请跟随本门课程进入到超大规模集成电路的设计领域。
—— 课程团队
课程概述

       本门课是微电子专业的主干课程,专注于超大规模集成电路的设计技术,适合电子和计算机相关专业的本科生和研究生,也适合工作后需要重温专业基础知识的工程师。

      课程教学内容为超大规模集成电路设计的基础理论与基本方法,从VLSI的主流技术介绍入手引入VLSI设计的四个主要技术基础:器件与工艺基础,集成电路电路基础,版图基础和CAD基础。主要内容如下:

       第一章:VLSI设计概述,了解当今VLSI系统设计的方法与技术。第二章:MOS器件与工艺基础:掌握MOS器件的基本结构、模型与特性;掌握CMOS反相器和逻辑电路设计方法,掌握时序逻辑电路;了解集成电路制造工艺过程。第三章:设计与工艺接口,了解设计与工艺的关系及接口。第四章:晶体管规则阵列设计技术,掌握四种主要的规则阵列集成电路设计技术。第五章:单元库设计技术,掌握标准单元和IO的设计,建立系统模块化设计的思想;认识集成电路的基本版图。第六章:微处理器,建立系统集成的概念,了解微处理器电路设计系统的构成和设计的过程。

  本课程受“江苏高校品牌专业建设工程资助项目”资助,特此鸣谢。

授课目标

了解当今VLSI系统设计的方法与技术;掌握MOS器件的基本结构、模型与特性,掌握基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路的原理;了解半导体工艺基本过程;认识集成电路的基本版图;掌握主要的集成电路设计技术,建立系统集成和系统模块化设计的思想。最终具备开展集成电路设计的基础知识和基本方法。

课程大纲

第四章 晶体管规则阵列设计技术(2)-PLA、门阵列和EPLD

知识点7-PLA阵列结构

知识点8-例题:用PLA设计电路及折叠PLA

知识点9-门阵列功能及其版图结构

知识点10-门阵列版图分析及其设计准则

知识点11:规则阵列设计技术应用-EPLD

知识点12:E2PROM晶体管结构及编程结构比较

第四章测试题2

第四章作业题

第一章 概论

第一章测试

知识点1-课程介绍

知识点2-微电子发展史和摩尔定律

补充:从沙子到CPU-芯片是如何制造的

知识点3-系统与系统集成

知识点4:VLSI设计方法

调研你手机的应用处理器信息

第二章 器件与工艺(1)-MOS晶体管原理

知识点1-mos晶体管结构

知识点2-MOS晶体管的工作原理

知识点3-MOS晶体管的I-V方程

知识点4-MOS管的转移特性和耗尽型MOS管等

知识点5-CMOS结构及其优势

第二章测试

第二章 器件与工艺(2)-反相器和组合逻辑电路

第二章测试2

知识点6-CMOS反相器设计

知识点7-CMOS反相器的动态指标

知识点8-CMOS逻辑门构造-与非门及复杂门

知识点9-等效反相器设计方法

知识点10-例子-复杂门等效反相器设计

知识点11-等效反相器练习及其修正

知识点12-异或门和同或门电路

知识点13-传输门

知识点14-三态门

第二章 器件与工艺(3)-时序逻辑电路

第二章测试3

知识点15-时序逻辑作用及状态机举例

知识点16-双稳态结构和D触发器

知识点17:触发器时序参数

知识点18:时序逻辑的性能优化

知识点19:时序逻辑的功耗优化

知识点20:偏差和抖动对电路的影响

畅所欲言-你所理解的时序(timing)

第三章 设计与工艺接口

知识点1-问题的提出及选择工艺线的原则

知识点2-NMOS管导通条件的再思考

知识点3-电学设计规则的形式及应用举例-三输入与门的SPICE仿真

知识点4-几何设计规则

知识点0-工艺基础

第三章测试

第四章 晶体管规则阵列设计技术(1)-ROM阵列和开关逻辑

知识点1-晶体管规则阵列设计技术引言

知识点2-基于ROM的晶体管阵列及其逻辑设计

知识点3-或非ROM的版图设计

知识点4-与非结构ROM的版图

知识点5-MOS晶体管开关逻辑

知识点6-例题-用四选一MUX设计电路

知识点10-门阵列版图分析及其设计准则

第四章测试1

第五章 单元库设计技术(1)-标准单元

第五章测试

知识点一-引言-规则阵列的缺点

知识点二:单元库概念和真实单元库示例

知识点三:标准单元设计技术

知识点四:用标准单元实现集成电路的过程

知识点五:课堂练习-读标准单元版图

知识点七:输入单元的版图设计.

第五章 单元库设计技术(2)-输入输出接口

第五章测试2

知识点六:输入输出单元的功能

知识点七:输入单元的版图设计

知识点八:倒向输出I/O PAD设计

知识点九:其他输出I/O PAD

知识点十:掩膜编程的输入输出I/O PAD

知识点十一:积木块设计技术和单元库小结

第六章 微处理器(1)-处理器结构和ALU设计

知识点1-大话处理器

知识点2-微处理器结构介绍-冯诺依曼和哈佛结构

知识点3-冯诺依曼和哈佛结构的比较

知识点4-控制器单元

知识点5-ALU结构和半加器电路

知识点6-全加器+外围电路的多功能表现

知识点7-用全加器搭建ALU-算术运算设计

知识点8- 用全加器搭建ALU-逻辑运算设计

知识点9-用全加器设计ALU-电路实现

知识点10-传输门设计的特点及微处理器设计总结

几种ALU电路的优缺点

第六章 微处理器(2)-乘法器、移位器和Memory设计

第六章测验

知识点11-乘法器设计

知识点12-移位器设计

知识点13-Memory的重要性及其分类

知识点14-SRAM结构

知识点15-SRAM的bitcell设计

第七章-低功耗专题

知识点1-低功耗专题(上)

知识点2-低功耗专题(下)

预备知识

    希望弱电类专业的大学生和研究生选课,或对集成电路设计感兴趣的、具备一定的电路知识基础的人员。电路原理和数字逻辑电路的基本概念是必须的。半导体原理和器件最好懂一点,但不用太多。

   


证书要求

完成课程学习;

完成考核内容:作业:30%,测试:30%,期末考试:35%论坛讨论 5%

考核的三项内容之和>=60分,视为合格

课程结束后公布成绩。


参考资料

一、教材: 李伟华,《VLSI设计基础》

       (第三版) 电子工业出版社

二、主要参考书:

Jan.M.Rabaey, Anantha Chandrakasan:Digital Integrated Circuits, A Design Perspective

中译本:《数字集成电路-电路、系统与设计》, 周润德译,电子工业出版社