电子电路教程-multisim要点.ppt

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1、电子电路设计训练电子电路设计训练（模拟部分）电子电路设计训练n n课程内容：课程内容：1、集成电路及其产业发展2、Eda软件的发展历程3、Pspice语言4、Multisim软件的使用5、电源电路、放大电路设计6、Cadence软件的使用7、若干设计实例电子电路设计训练先修课程：先修课程：n n电路分析n n模拟电子技术基础数字电子技术基础n n信号与系统View of EDA张杰斌新主楼FSimulating PartUnit 1IC的发展带动的发展带动EDA的进步的进步nIC的生产由设计、制造、封装业组成的生产由设计、制造、封装业组成设计设计封装封装制造制造集成电路发展历程n1950年：结

2、型晶体管诞生；n1951年：场效应晶体管发明；n1958年：集成电路产生，开创了世界微电子学的历史；n1962年：MOS场效应晶体管发明；n1963年：首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺；集成电路发展历程n1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路并研制出第一块门阵列（50门）；n1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；n1978年：64kbDRAM诞生，不足0.5cm2的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；n1988年：16MDRAM问世，1cm2大小的硅片上集成有

3、3500万个晶体管集成电路发展历程n1989年：486微处理器推出，25MHz，1m工艺，后来50MHz芯片采用0.8m工艺；n1993年：66MHz奔腾处理器推出，采用0.6工艺；n1995年：PentiumPro（高能奔腾，686级的CPU）,133MHz，采用0.6-0.35工艺；n1997年：300MHz奔腾问世，采用0.25工艺；n1999年：奔腾问世，450MHz，采用0.25工艺，后采用0.18m工艺；集成电路发展历程n2000年：奔腾4问世，1.5GHz，0.18工艺；n2001年：Intel采用0.13工艺；n2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺；n2005年：in

4、tel酷睿2系列上市，采用65nm工艺；。n2007年：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。n2009年：intel酷睿i系列全新推出，采用的32nm工艺；n2011年底，intel14nm工艺芯片已经完成设计；n2013年，年，intel的的14nm工艺工艺CPU已经流片成功，计划两年已经流片成功，计划两年内推出成熟产品。内推出成熟产品。n目前市场上性能较好的CPUIntel酷睿酷睿i73.6GHz主频，主频，32nm工艺。工艺。摩尔定律n摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体

5、管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一半；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两番。这一定律揭示了信息技术进步的速度。世界集成电路产业世界集成电路产业n n世世世世界界界界集集集集成成成成电电电电路路路路产产产产业业业业一一一一直直直直以以以以3-43-4倍倍倍倍于于于于国国国国民民民民经经经经济济济济增增增增长长长长速速速速度度度度发展。每年均增长发展。每年均增长发展。每年均增长发展。每年均增长1717。世世世世界界界界超超超超大大大大集集集集成成成成电电电电路路路路生生生生产产产产的的的的主主主主流流流流工工工工艺艺艺艺水水水水平平平平是是是是直

6、直直直径径径径为为为为1212英英英英寸寸寸寸(3 30000mm)mm)硅硅硅硅晶晶晶晶圆圆圆圆片片片片，光光光光刻刻刻刻精精精精度度度度（特特特特征征征征尺尺尺尺寸寸寸寸）为为为为0.10.13 3微微微微米米米米，目目目目前前前前最最最最高高高高工工工工艺艺艺艺水水水水平平平平已已已已达达达达到到到到22nm22nm、1 18 8英英英英寸寸寸寸（45450 0mmmm）水平。水平。水平。水平。衡量集成电路产业技术水平的两个重要参数是衡量集成电路产业技术水平的两个重要参数是:晶圆直径晶圆直径特征尺寸特征尺寸 世界最高水平的单片集成电路芯片上所容世界最高水平的单片集成电路芯片上所容世界最高

7、水平的单片集成电路芯片上所容世界最高水平的单片集成电路芯片上所容 纳的元器纳的元器纳的元器纳的元器件数量已经超过件数量已经超过件数量已经超过件数量已经超过8080亿个。亿个。亿个。亿个。n n向向向向SOCSOC（System on Chip)System on Chip)发展发展发展发展IC发展速度发展速度19591959197019702000200020052005特征尺寸特征尺寸特征尺寸特征尺寸 umum25258 80.180.180.130.13硅片直径硅片直径硅片直径硅片直径 mmmm5 53030200200300300电源电源电源电源 VV5 55 53 33 3集成度集成度

8、集成度集成度6 610103 310108 8101010MPUMPU主频主频主频主频 HzHz800k800k1G1G5G5GDRAMDRAMbitbit1k1k1G1G3G3G管子价格管子价格管子价格管子价格$10100.30.31010-6-61010-8-8世界世界IC市场市场n nIntel(Intel(美美美美)297.5)297.5；ToshibaToshiba（日）（日）（日）（日）112.1 112.1；NECNEC（日）（日）（日）（日）110.8110.8；SamsungSamsung（韩）（韩）（韩）（韩）108.0 108.0；Texas Texas Instrume

9、ntInstrument（美）（美）（美）（美）91.0 91.0；MotorolaMotorola（美）（美）（美）（美）80.0 80.0；STMicroelectronics (STMicroelectronics (意法意法意法意法)79.5)79.5；Hitachi Hitachi（日立）（日立）（日立）（日立）72.8 72.8；InfineonInfineon（德）德）德）德）67.2 67.2；MicroTEMicroTE（美）美）美）美）63.1 63.1；SUM 1087.8SUM 1087.8亿美元亿美元亿美元亿美元 2012年年全球全球IC市场市场销售额销售额突破突破

10、3000亿亿2000年世界年世界IC市场总销售额达到市场总销售额达到2044亿亿中国中国IC的发展的发展2002年，市场销售额年，市场销售额4862.5亿元，亿元，2007年，年，市场销售额市场销售额 5623.7亿元亿元主要芯片制造厂家主要芯片制造厂家国内投资建设生产线国内投资建设生产线8英寸线有英寸线有6条，条，14英寸的在建英寸的在建中芯国际，上海宏力，上海华虹，上海先进半导体，无中芯国际，上海宏力，上海华虹，上海先进半导体，无锡华晶上华，上海贝岭，北京首钢日电，绍兴华越锡华晶上华，上海贝岭，北京首钢日电，绍兴华越计算机类、消费类、网络通信类三大领域占中国集成电计算机类、消费类、网络通信

11、类三大领域占中国集成电路市场的路市场的88.1%集成电路生产主要流程集成电路生产主要流程需求需求设计设计设计设计材料（单晶硅等）材料（单晶硅等）掩膜版掩膜版芯片制作芯片制作芯片检测芯片检测封装封装测试测试硅棒硅棒硅片硅片切片切片IC制造过程制造过程硅片测试硅片测试键合键合光刻光刻、注入注入、扩散扩散、刻蚀、刻蚀芯片封装芯片封装划片划片芯片测试芯片测试刻蚀后的硅片刻蚀后的硅片成品成品绝热层绝热层炭加热部件炭加热部件石英坩锅石英坩锅熔融多晶硅熔融多晶硅单晶硅单晶硅籽晶籽晶CZ拉单晶炉拉单晶炉晶圆晶圆图中从左到右分别是图中从左到右分别是450mm（18英寸）、英寸）、300mm（12英寸）和英寸）和

12、200mm（8英寸）的晶英寸）的晶圆，其中只有圆，其中只有8寸为晶圆实物，寸为晶圆实物，18寸和寸和12寸皆为寸皆为比例模型。比例模型。投影掩膜版投影掩膜版承载台承载台透镜（缩小版图）透镜（缩小版图）曝光（聚焦、对准、曝光（聚焦、对准、曝光、步进）曝光、步进）对准激光对准激光快门（曝光时打开）快门（曝光时打开）UV光源光源光刻过程光刻过程zyx硅片硅片掺杂离子束掺杂离子束离子注入机离子注入机X j结深结深离子注入掺杂离子注入掺杂硅片硅片掩蔽层掩蔽层掩蔽层掩蔽层扩散掺杂扩散掺杂扩散杂质扩散杂质掩蔽层掩蔽层掩蔽层掩蔽层硅片硅片键合引线键合引线键合压点键合压点芯片用环氧树芯片用环氧树脂粘在底板上脂粘

13、在底板上引线框架引线框架管脚管脚芯片封装芯片封装封装封装CEp-硅衬底硅衬底n+Pn+掺杂形成掺杂形成p型衬底型衬底B重掺杂形重掺杂形成成n型区型区Bipolar Devicenpnn+n+PwellSilicon增强型增强型n沟道沟道MOSFETMOSFETGateDrainSourceSiO2金属金属金属金属多晶硅多晶硅VGG=0.7VVDD=3VInvertedlayerchannelGateDrainSourceSubstrateVGGVDDCMOSn+n+P阱阱VssSGD金属金属场氧化层场氧化层n型硅衬底型硅衬底p+p+n型硅衬底型硅衬底VDDDGSP阱阱n+n+SDp+VssVD

14、DSDp+GG多晶硅多晶硅+VDD-VSSOutputInput反相器反相器ASIC Application Specific Integrated Circuit设计输设计输入入前仿真前仿真后仿真后仿真布局布布局布线线流片流片Full CustomFPGAIC厂家负责厂家负责 模拟与数字电路的仿真模拟与数字电路的仿真模拟与数字电路的仿真模拟与数字电路的仿真 模拟：模拟：模拟：模拟：SPICESPICE；PSPICE PSPICE 数字：数字：数字：数字：VHDLVHDL；Verilog HDLVerilog HDLFull-Custom;Semi-CustomFull-Custom;Semi

15、-Custom半定制：厂家提供半成品母片（半定制：厂家提供半成品母片（半定制：厂家提供半成品母片（半定制：厂家提供半成品母片（Gate ArrayGate Array；Standard CellStandard Cell）FPGAFPGA（Field Programmable Gate ArrayField Programmable Gate Array）n n仿真语言（硬件描述语言仿真语言（硬件描述语言HDL)Spice 晶体管晶体管/门级语言；门级语言；VHDL、Verilog 行为级语言；可描述复杂的行为级语言；可描述复杂的数字器件的逻辑行为数字器件的逻辑行为具有模数混合仿真具有模数混合

16、仿真模拟用模拟用SPICE算法，数字用算法，数字用HDL Protel 里的里的Sim模块；模块；Workbench里的里的MultisimPLDn n20世纪世纪70年代推出，采用熔丝编程，阵列结年代推出，采用熔丝编程，阵列结构构n n20世纪世纪80年代年代Lattice推出推出GAL（通用阵列逻辑genericarraylogic），采用采用E2PROM工工艺艺n n1985年年Xilinx推出推出FPGA（现场可编程门阵列fieldprogrammablegatearray），采用采用单元结构单元结构n nCPLD（复杂可编程逻辑器件ComplexProgrammableLogicDe

17、vice）由）由Altera推出推出EDA平台平台功能仿真功能仿真时序仿真时序仿真在线测试在线测试Top-Down设计设计EDA工具工具n n由公司自己推出：由公司自己推出：n nAltera的的MAXPLUS，n nXilinx的的Foundation，n nLattice的的ispDesignEXPERTn n由第三方推出：由第三方推出：n nCadence，Synplify,Viewlogic,EWB,SystemView,Proteln n中国华大推出中国华大推出Panda2000，AetherEDA软件之争软件之争n n形成形成形成形成CADENCECADENCE，SYNOPSYS

18、SYNOPSYS 两强相争两强相争两强相争两强相争n nCADENCECADENCE强项在布局布线，强项在布局布线，强项在布局布线，强项在布局布线，SYNOPSYS SYNOPSYS 强项在逻强项在逻强项在逻强项在逻辑综合，仿真辑综合，仿真辑综合，仿真辑综合，仿真n nSNOPSYSSNOPSYS开发开发开发开发physical compilerphysical compiler基于布线的逻辑综基于布线的逻辑综基于布线的逻辑综基于布线的逻辑综合软件合软件合软件合软件n nCADENCECADENCE开发开发开发开发PKSPKS的一体化的一体化的一体化的一体化EDAEDA软件从逻辑综合软件从逻辑综合软件从逻辑综合软件从逻辑综合到布局布线到布局布线到布局布线到布局布线EWBElectronics Workbenchn n加拿大加拿大Interactive Image Technologies公司公司90年代推出年代推出n nEWB用于电子线路设计与仿真虚拟平台用于电子线路设计与仿真虚拟平台n n可进行电路设计、电路分析、测试、验证、可进行电路设计、电路分析、测试、验证、纠错、创新等。纠错、创新等。工作窗口工作窗口电路描述电路描述工作窗口工作窗口元件库元件库仪器库仪器库THANKSTHANKSTHANKSTHANKS