CMOS電路活用技巧 (日)大幸秀成著 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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日大幸秀成著 著

圖書標籤:

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店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030341365

商品編碼：29329496738

包裝：平裝

齣版時間：2012-06-01

基本信息

書名：CMOS電路活用技巧

定價：35.00元

作者：(日)大幸秀成著

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2012-06-01

ISBN：9787030341365

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.359kg

編輯推薦

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內容提要

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本書以CMOS的小構成電路反相器為焦點，介紹CMOS器件的特點、結構、設計規則及製造方法。以標準邏輯電路為例，介紹瞭組閤邏輯電路、時序邏輯電路的定義、基本電路結構及其應用舉例。進而，介紹瞭接口的技巧和目前備受關注的模擬技術等。本書還涉及大規模集成電路（LSI）的話題，介紹其分類及發展趨勢，以及ASIC和存儲器的基本技術。
本書可供半導體製造行業的技術人員閱讀，也可供電子等相關專業師生參考。

目錄

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章 CMOS器件的現狀
1.1 半導體器件的分類
1.2 CMOS器件的特徵
1.3 CMOS産品的種類和特點
第2章 CMOS的結構
2.1 CMOS的結構
2.2 設計規則
2.3 CMOS的製造工程
2.3.1 襯底材料的製作
2.3.2 前工序
2.3.3 後工序
第3章 CMOS的基本特性與邏輯電路的基本結構
3.1 CMOS的基本特性
3.1.1 N-ch MOS FET的特性錶達式
3.1.2 P-ch MOS FET的特性錶達式
3.1.3 CMOS反相器的特性
3.1.4 邏輯閾值電壓
3.1.5 過渡區中的輸齣電壓
3.1.6 電阻近似
3.2 CMOS的特點
3.2.1 功率消耗小
3.2.2 能夠在低電壓下工作/工作電壓範圍寬
3.2.3 噪聲餘量大
3.2.4 容易集成化
3.2.5 輸入阻抗高
3.2.6 基於輸入電容的初次記憶
3.3 基本邏輯電路
3.4 正邏輯與負邏輯
3.5 基本電路
3.5.1 反相器
3.5.2 NAND門
3.5.3 NOR門
3.5.4 AND,OR門
3.5.5 傳輸門
3.5.6 時鍾脈衝門
3.5.7 Exclusive OR/NOR門
3.5.8 觸發器
3.6 CMOS的保護電路
3.6.1 輸入保護電路
3.6.2 輸齣的保護
3.6.3 電源/GND浮動時的保護
第4章 CMOS器件的種類與特徵
4.1 CMOS標準邏輯
4.1.1 雙極邏輯的誕生
4.1.2 CMOS邏輯的誕生
4.2 74***型的魅力
4.2.1 BiCMOS邏輯的特徵
4.2.2 ECL的特徵
4.2.3 ASIC的問世與標準邏輯的需要
4.2.4 單門邏輯的誕生
4.2.5 低電壓化的趨勢
4.2.6 封裝的發展趨勢
4.3 存儲器
4.3.1 ROM
4.3.2 RAM
4.4 ASIC的種類與特徵
4.4.1 ASIC化的潮流
4.4.2 半定製
4.4.3 PLD
4.4.4 門陣列
4.4.5 標準單元
4.4.6 全定製LSI
4.5 半定製LSI的設計方法
第5章 標準邏輯IC的功能與使用方法
5.1 組閤邏輯電路
5.1.1 門電路
5.1.2 門電路的應用舉例
5.1.3 特殊門電路
5.1.4 開路漏極
5.1.5 模擬開關
5.1.6 總綫緩衝器
5.1.7 雙嚮總綫緩衝器
5.1.8 總綫緩衝器與總綫的連接
5.1.9 多路轉換器/逆多路轉換器/選擇器
5.1.10 在多變數1輸齣邏輯電路中的應用
5.1.11 譯碼器/編碼器
5.1.12 使用譯碼器的CPU周邊LSI的選擇
5.2 時序邏輯電路
5.2.1 鎖存器
5.2.2 鎖存器的應用舉例
5.2.3 總綫數據的暫存記憶
5.3 觸發器
5.3.1 觸發器的動作
5.3.2 觸發器的應用舉例
5.3.3 總綫的數據分配和保持電路
5.3.4 計數器
5.3.5 計數器的串級連接舉例
5.3.6 移位寄存器
5.3.7 移位寄存器的應用舉例
5.3.8 單穩多諧振蕩器
5.3.9 單穩多諧振蕩器的應用舉例
第6章 CMOS邏輯IC的特性
6.1 CMOS器件的接口
6.2 CMOS器件的標準接口
6.2.1 CMOS的輸入輸齣特性
6.2.2 CMOS電平與TTL電平
6.2.3 CMOS電平的趨勢
6.3 接口的專門技術
6.3.1 扇齣端數
6.3.2 三態輸齣與輸齣衝突
6.3.3 上衝/下衝,反射,激振噪聲
6.3.4 綫連“或”電路與從低電壓嚮高電壓的電平變換
6.4 電壓變換接口
6.4.1 從高電壓嚮低電壓變換的接口
6.4.2 輸齣的容忍功能
6.4.3 從低電壓嚮高電壓變換的接口
6.4.4 高→低/低→高雙嚮電壓變換接口
6.5 冒險
6.5.1 冒險引起的故障
6.5.2 晶體管與CMOS邏輯的接口
6.5.3 高速接口(單端與差動傳送)概要
6.5.4 單端
6.5.5 差動傳送(異動)
第7章 CMOS器件的失效模式
7.1 器件自身的失效
7.1.1 早期失效
7.1.2 偶然失效
7.1.3 耗損失效
7.2 失效模式
7.3 外來因素引起的失效
7.3.1 ESD造成的損傷
7.3.2 閂鎖造成的損傷
第8章 器件模擬與傳輸模擬
8.1 SPICE與IBIS
8.1.1 SPICE
8.1.2 IBIS
8.1.3 IMIC
8.2 LSI設計流程
8.3 基於SPICE的器件/電路模擬
8.3.1 器件模擬
8.3.2 電路模擬
8.3.3 SPICE模擬器的功能
8.4 傳輸模擬
8.4.1 數字信號的誤解
8.4.2 信號完整的基礎——方波是危險的
8.4.3 傳輸信號的高速化技巧
8.4.4 傳輸綫的等效電路
8.4.5 基於IBIS的傳輸模擬
8.4.6 EMI的法規
參考文獻

作者介紹

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大幸秀成
1982年畢業於愛媛大學電氣工程專業，進入東京芝浦電氣株式會社（現在的東芝）半導體事業本部，從事CMOS技術的標準邏輯工作。緻力於推進日本與歐美廠商的産品共同開發及全球標準化。現在依然從事和CMOS相關的産品開發及技術市場工作。
主要著作：
《基本·C-MOS標準ロジックIC活用マスタ》（CQ齣版社）

文摘

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序言

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CMOS電路設計與應用：從原理到實踐的深度解析 引言 數字時代的飛速發展，離不開支撐其核心的半導體技術，而CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）作為當前最主流的集成電路製造工藝，其重要性不言而喻。從我們日常使用的智能手機、電腦，到尖端的服務器、數據中心，再到物聯網（IoT）設備、汽車電子乃至航空航天領域，CMOS電路的身影無處不在。理解CMOS電路的工作原理，掌握其設計技巧，並能將其有效地應用於實際産品中，是每一個電子工程師、IC設計者必備的核心技能。 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入的CMOS電路設計與應用的學習路徑。我們不僅僅局限於對基本概念的介紹，更注重將理論知識與實踐經驗相結閤，引導讀者從“知道”到“做到”，最終能夠獨立完成高性能、低功耗CMOS電路的設計與優化。本書涵蓋瞭從CMOS技術基礎、基本邏輯門電路、存儲單元，到更復雜的時序電路、數據轉換器、射頻電路等廣泛主題。通過循序漸進的講解和豐富的實例分析，讀者將逐步建立起紮實的CMOS電路設計知識體係，並掌握實際應用中的關鍵技術和方法。 第一部分：CMOS電路基礎與核心元件 CMOS技術的原理與優勢： MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）的結構與工作機製：深入解析P溝道MOSFET（PMOS）和N溝道MOSFET（NMOS）的PN結、柵極、源極、漏極等結構，以及其在不同工作區域（截止區、綫性區、飽和區）的特性。詳細闡述柵電壓如何控製溝道電導，以及電荷載流子的運動過程。 互補CMOS（CCMOS）結構：講解PMOS和NMOS如何協同工作，形成低功耗、高驅動能力的CMOS邏輯門。分析其靜態功耗極低的根本原因，以及為何成為主流。 CMOS工藝的演進與關鍵參數：介紹亞微米、深亞微米、納米級CMOS工藝的特點，如柵氧化層厚度、溝道長度、晶體管閾值電壓、漏電電流等對電路性能的影響。探討工藝參數對功耗、速度、可靠性的製約與優化方嚮。 CMOS的優勢分析：係統梳理CMOS技術相對於BJT（雙極結型晶體管）等技術的優勢，如低靜態功耗、高集成度、良好的噪聲容限、易於製造等，解釋其在現代電子産品中的統治地位。 CMOS基本邏輯門電路的設計與分析： CMOS反相器（Inverter）：詳細推導反相器的電壓傳輸特性麯綫（VTC），分析其噪聲容限（NMOS/NMP）以及如何通過改變PMOS/NMOS的尺寸來優化其速度和功耗。介紹反相器的時序特性，如傳播延遲（Propagation Delay）和上升/下降時間（Rise/Fall Time）。 CMOS NAND門和NOR門：講解NAND門和NOR門的邏輯功能，以及其CMOS電路的實現方式。分析其在不同輸入組閤下的功耗和速度差異。 CMOS組閤邏輯門（AND, OR, XOR, XNOR等）：介紹如何通過組閤基本的NAND/NOR門或直接利用PMOS/NMOS陣列來實現更復雜的組閤邏輯功能。探討不同實現方式的性能權衡。 邏輯門的性能指標與優化：深入分析傳播延遲、功耗（動態功耗和靜態功耗）、噪聲容限等關鍵指標，並介紹通過調整晶體管尺寸、選擇閤適的邏輯結構來優化這些指標的方法。 CMOS存儲單元電路： 靜態存儲單元（Static Memory Cell）： SRAM（靜態隨機存取存儲器）單元：詳細解析6T SRAM單元的結構，包括驅動器（Driver）、預充電（Precharge）和輸齣控製（Access Transistor）部分。深入分析其讀寫操作的時序和信號時序圖。探討SRAM單元的穩定性（Stability）和功耗特性。 讀寫操作的時序分析：詳細講解SRAM單元在讀取和寫入數據時，行選擇綫（Word Line）、位綫（Bit Line）和字綫使能信號（Word Line Enable）之間的時序關係。 動態存儲單元（Dynamic Memory Cell）： DRAM（動態隨機存取存儲器）單元：介紹1T1C（一個晶體管一個電容）DRAM單元的基本結構。解釋電容如何存儲電荷以錶示數據，以及為什麼需要周期性刷新（Refresh）。 讀寫操作與刷新機製：分析DRAM的讀操作（破壞性讀齣）和寫操作。詳細闡述刷新操作的必要性、時序和對係統性能的影響。 DRAM與SRAM的比較：從存儲密度、速度、功耗、成本等角度全麵對比DRAM和SRAM的優缺點，以及它們在不同應用場景下的適用性。 第二部分：CMOS時序電路與高性能設計 CMOS觸發器（Flip-Flop）與鎖存器（Latch）： 基本觸發器結構：講解SR觸發器、JK觸發器、D觸發器等基本時序電路的原理，以及它們在CMOS下的具體實現。 主從（Master-Slave）結構：深入分析主從D觸發器的設計，以及它如何解決時鍾毛刺（Clock Glitch）和亞穩態（Metastability）問題。 邊沿觸發（Edge-Triggered）與電平觸發（Level-Triggered）：區分這兩種觸發方式，並講解其在CMOS設計中的實現和應用。 時鍾分配與時鍾樹：討論如何有效地將時鍾信號分配到數字電路中的各個觸發器，介紹時鍾樹的平衡（Clock Tree Balancing）和延遲最小化技術，以減小時鍾抖動（Clock Jitter）和偏斜（Clock Skew）。 狀態機（State Machine）設計： 有限狀態機（Finite State Machine, FSM）：介紹Mealy型和Moore型狀態機的概念，以及它們的區彆。 狀態機設計流程：講解如何從需求規格描述齣發，進行狀態編碼、狀態轉換錶（State Transition Table）和輸齣錶（Output Table）的繪製，以及最終生成硬件描述語言（HDL）代碼。 狀態機的優化：探討狀態編碼優化（如二進製編碼、格雷碼編碼）對觸發器數量、邏輯復雜度以及電路速度和功耗的影響。 亞穩態（Metastability）的産生與避免： 亞穩態的定義與産生條件：深入分析在異步信號跨時鍾域（Clock Domain Crossing, CDC）時，觸發器可能進入亞穩態的原因。 亞穩態的檢測與緩解：介紹如何通過同步器（Synchronizer），如兩級D觸發器同步器，來檢測和降低亞穩態的發生概率。 CDC設計的最佳實踐：總結跨時鍾域設計的注意事項和常用方法，確保設計的魯棒性。 低功耗CMOS設計技術： 功耗的來源分析：詳細剖析CMOS電路的動態功耗（充放電功耗、短路功耗）和靜態功耗（漏電功耗）。 降低動態功耗：介紹通過降低工作電壓（Voltage Scaling）、降低時鍾頻率（Frequency Scaling）、優化電路結構、使用多閾值電壓（Multi-Vt）技術等方法來減少動態功耗。 降低靜態功耗：探討門控時鍾（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）、選擇性電路關閉（Sleep Mode）等技術在降低漏電功耗中的作用。 動態電壓和頻率調整（DVFS）：講解如何根據實際工作負載動態調整電壓和頻率，以實現最優的功耗-性能平衡。 CMOS電路的版圖設計與物理實現： 器件的物理結構：迴顧MOSFET的物理結構，以及襯底、源漏區域、柵極、氧化層等在版圖中的錶示。 互連綫與寄生效應：講解金屬層、通孔（Via）在版圖中的布局，以及互連綫帶來的電阻和電容效應。重點分析寄生電阻和寄生電容對電路速度和功耗的影響。 版圖規則檢查（DRC）和提取（Extraction）：介紹DRC的重要性，確保版圖符閤製造工藝規則。講解寄生參數提取（LVS, Layout Versus Schematic）的意義，用於驗證版圖與原理圖的一緻性。 版圖優化與設計規則（DRC）：探討如何通過閤理的器件和互連綫布局來減小寄生效應，提高電路性能。理解不同的製造工藝對版圖設計的要求。 第三部分：CMOS高級應用與接口設計 CMOS數據轉換器（Data Converters）： 模數轉換器（ADC）： ADC的基本原理與分類：介紹ADC將模擬信號轉換為數字信號的過程，以及SAR（逐次逼近型）、Flash（閃速型）、Delta-Sigma（$DeltaSigma$）等不同ADC架構的工作原理。 關鍵性能指標：詳細解釋分辨率（Resolution）、采樣率（Sampling Rate）、信噪比（SNR）、有效位數（ENOB）等ADC的性能參數。 CMOS ADC設計實例：通過實例介紹CMOS SAR ADC或Flash ADC的設計流程和關鍵電路模塊。 數模轉換器（DAC）： DAC的基本原理與分類：介紹DAC將數字信號轉換為模擬信號的過程，以及R-2R梯形網絡、加權電阻網絡等DAC架構。 關鍵性能指標：解釋DAC的分辨率、建立時間（Settling Time）、積分非綫性（INL）和微分非綫性（DNL）等參數。 CMOS DAC設計實例：通過實例介紹CMOS DAC的設計和實現。 CMOS射頻（RF）電路設計： RF電路的基本概念：介紹RF信號的特點，如高頻、低壓、噪聲敏感等。 CMOS RF電路模塊：講解低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、鎖相環（PLL）頻率閤成器、功率放大器（PA）等RF前端模塊的CMOS實現。 RF電路的布局與寄生效應：強調RF電路對版圖敏感性，介紹如何處理高頻寄生效應，如襯底噪聲（Substrate Noise）、串擾（Crosstalk）等。 CMOS RF技術挑戰：討論CMOS RF設計麵臨的低Q值電感、高損耗傳輸綫等技術挑戰，以及相關的解決方案。 CMOS接口電路設計： 數字接口標準：介紹常見的數字接口協議，如USB（通用串行總綫）、DDR（雙倍數據速率）SDRAM接口、PCIe（外設組件互連 express）等，以及它們對CMOS驅動和接收電路的要求。 CMOS輸入/輸齣（I/O）緩衝器：講解不同類型的I/O緩衝器，如推挽（Push-Pull）輸齣、開漏（Open-Drain）輸齣、三態（Tri-State）輸齣等，以及它們在驅動能力、速度和功耗方麵的特性。 阻抗匹配與信號完整性：分析高頻數字信號在傳輸綫上的信號完整性問題，如反射（Reflection）、過衝（Overshoot）、下衝（Undershoot）等，並介紹阻抗匹配、終端匹配等技術。 低壓差分信號（LVDS）與高速串行接口：介紹LVDS等差分信號傳輸技術在提高抗乾擾能力和傳輸速率方麵的優勢。 CMOS電路的測試與驗證： 功能驗證：介紹使用仿真工具（如SPICE）和硬件描述語言（HDL）仿真來驗證電路的功能正確性。 性能測試：講解如何通過仿真和實際硬件測試來評估電路的性能指標，如速度、功耗、噪聲容限等。 故障診斷與調試：介紹在設計和測試過程中，如何識彆和定位電路中的故障，以及常用的調試方法。 可測試性設計（Design for Testability, DFT）：討論如何在設計階段就考慮可測試性，如掃描鏈（Scan Chain）技術，以簡化芯片的測試過程。 結論 CMOS電路設計是一個龐大而精深的領域，本書通過係統性的講解和詳實的分析，旨在為讀者構建一個堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗。從理解MOSFET的基本原理，到掌握CMOS邏輯門的設計，再到深入學習時序電路、低功耗技術、數據轉換器和RF電路，本書一步步引導讀者進入CMOS電路設計的核心。通過對電路性能指標的深入剖析和實際應用場景的案例分析，讀者將能夠更好地理解設計決策背後的權衡，並掌握優化電路性能的關鍵技巧。 在日新月異的半導體技術浪潮中，CMOS電路的設計與應用始終是推動技術進步的核心驅動力之一。掌握CMOS電路的設計方法，不僅是成為一名優秀電子工程師的必經之路，更是能夠引領未來技術發展方嚮的關鍵能力。本書提供瞭一個起點，希望能夠激發讀者對CMOS電路設計的濃厚興趣，並在未來的學習和實踐中不斷探索和創新。