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1、 集成电路是什么？就是电路板上的那些小黑块，有很多引脚，它的里面并不复杂，无非就是一些三极管组合在一起，仅此而已。 top - 三极管的基本原理 首先我们要了解三极管的基本原理，三极管就是一条电流的通道，有一个电极控制这个通道的通和断，如果说三极管的基本原理用这样的比喻比较牵强附会的话，在设计三极管的版图时，它就非常的确切了，我们先画一条绿色的线条表示通道，再画一条横跨过通道的红色线条表示控制栅极，就象马路上的绿色的通道和警察掌握的红灯一样，绿色通道里的电流的通断，得看警察的脸色行事。不过在集成电路里通道不叫通道，而叫有源区，一个奇怪的名字，不过很好记，我们平时把半导体器件叫做有源器件，电阻电
2、容叫无源器件，三极管是有源器件，因此只要记住和三极管有关的区域叫有源区就可以了。 由 N 型或 P 型半导体材料组成源极和漏极，在源极和漏极之间放一层多晶硅作为栅极，这就形成了一个 MOS 三极管，多做几个这样的三极管，并把它们按要求连接起来，这就形成了集成电路。把许多三极管做在一起就是集成电路。 集成电路真的就是这么简单，请暂时不要问什么半导体为什么会导电之类目前被认为是无关紧要的问题，我们在这里探讨的是如何快速的学会设计集成电路，而不是半导体理论。 top - 设计一个反相器管 我们知道三极管相当于一条通道，在这条通道上电流出发的那一端叫做源极，而电流到达的那一端叫做漏极，控制电流通断的那
3、个电极叫做栅极，那么栅极需要带上什么样的电压才表示通道导通呢？一般情况下，栅极对源极的电压为 0V 时，表示关断，栅极上带 0.7V 以上的电压时，表示导通，应该注意栅极电压是对源极而言的。 上述的 MOS 三极管我们叫它 N 型 MOS 管，对应的，还有一种 P 型 MOS 管， P 型 MOS 管的特性正好完全相反，电流从漏极出发到达源极，栅极带上比漏极低于 0.7V 以下的电压时， MOS 管导通。 如果规定只能用一种类型的 MOS 管，我们也能设计出集成电路来，想当初的半导体工艺只适合于做 N 型一种类型的 MOS 管，那时侯的集成电路大部分是 NMOS 集成电路，我们熟悉的早期的Z8
4、0、8048 等，都是用 NMOS 工艺制造的。后来，发展了在同一个芯片上做两种不同类型 MOS 管的工艺，叫做 CMOS 工艺，现在已是半导体行业的主流工艺。 N 管和 P 管的版图设计并没有什么不一样，只要对其类型做一个标记就可以了，这个标记用来通知制造集成电路的人把这些管子做成某一类型的管子，在下图中我们把 P 管用虚框圈起来作为标记。 top - 设计一个简单集成电路 设计集成电路也很简单，不过就是把那些三极管连接起来，用什么来连接呢？总不至于用电烙铁和焊锡丝之类的方法吧？在集成电路里不用这种方法，用的是类似于双面线路板的方法，双面线路板上的过孔将线路板的两面连接了起来，在集成电路了也
5、用了过孔，两层导电材料分别是铝和多晶硅，铝可以越过各种区域通到任何地方而不受限制，但多晶硅可不可以呢？好象可以，可是，的多晶硅越过有源区时，有源区变成了一个受多晶硅控制的电流通路：一个多余的三极管，这不是我们所希望的，所以，我们在这里增加一条规则：多晶硅不能跨越有源区。按这样的规则连接两各三极管，我们就设计了一个含有一个反相器的简单的集成电路。 在芯片的四周有四个焊接点，用来和外部电路进行连接，不过，在这里不叫焊接点，而叫压焊点，可能因工艺而得名。如果你到集成电路行业里把它叫成焊接点的话，会让别人目瞪口呆的。 我们不妨大胆的把集成电路设计技术和制造工艺用印刷来理解，当我们要印名片时，我们要先设
6、计版面的排列，为一个商标图案苦思冥想，用彩色笔在草稿纸是画来画去，甚至出钱请搞美工的人来为这张名片进行设计。 设计的名片可能包含了好几种颜色，好多种字体，当设计方案送到引名片的小店后，将根据颜色的种类先做出版子来，然后就是用这些版子把各种颜色印到纸上，再然后就是把一大张纸剪切成一张一张的小名片，最后把这些名片装到小盒里，就等着用户来取货了。 印名片的小店老板只要会玩那些制版机、速印机之类的玩艺就可以了，基本上不用识多少字，小学程度即可，要求他必须懂得美术原理才发给操作证可以上岗，属于一种无理取闹的行为。 对设计名片的美工师傅的最大的要求是能够理解客户的要求，并且能够用版面的排列、字体的选择、颜
7、色的搭配来表达客户的意图，我们完全没有必要要求美工师傅会做各种字体的铅字、读过大部头的照相原理、精通印刷机械。 相应地，我们对客户就应该只有一个要求：简单、明确的提出他的意图。 集成电路的情况也是这样，用户提出他的芯片具有的功能，设计的过程是将功能翻译成版图，制造的过程是用版图印刷出芯片。 印刷和芯片的惊人的类似之处是，美工师傅只要使用字库里的各种字体就可以了，没有必要自己亲自作出一个个的字体来；芯片设计师实际上也只要使用单元库里的单元就可以了。 印刷和芯片的另一个更惊人的类似之处是，当字库里没有某个特定的符号时，比如一个不常见的商标，美工师傅就要亲自做出这个符号来；芯片设计师有时也会遇到库里
8、没有的单元，他也需要亲自画出这个单元的版图来。 top - 设计一个振荡器芯片的版图 如果你觉得不过瘾，你可以设计一个更复杂一点的集成电路如下图，它是个振荡器的版图，你给它接上一个电阻、一个电容、一个发光二极管，再接上电源，你就可以看到发光二极管一闪一闪的发起光来。 集成电路版图设计差不多就这点事了，没有什么花样。 你可能发现最右边的反相器比较大一点，这是为了有较大的驱动能力以使发光二极管有较高的亮度。另一个应该注意的问题是尽量让比较大的电流在铝导电层里流动，铝的导电性能比多晶硅好很多，这一点和双面线路板有点不同，双面线路板两面的导电性能一样好。 top - 版图设计 现在，你了解了一点版图设
9、计了，如果你再了解得更多一点的话，你就会发现你满怀热情的希望学会的版图设计，其实只是一种大人玩的七巧板而已，只是没有小孩玩的七巧板好玩，也没有那么复杂和变化多端。 现在，人各有志，你想把这块七巧板玩出点花样来的话，可以，在这里有大把朋友愿意陪你一起玩；或者你想起了你到这里来的初衷，想要把你的那个电路做成集成电路，那你暂时就别玩七巧板了，想办法尽快的完成你的芯片设计吧。 假如你原来用分立元件设计的电路里用到了许多标准的集成电路，有反相器，与非门、D 触发器，计数器、甚至包含了一个液晶显示驱动模块等等，按理说你要设计这些单元的版图，这可不是件轻松的活，日复一日，月复一月，非把你画得痴痴傻傻，呆若木
10、鸡不可，你原来设计一个高性能电路的满腔热情在这里没有用处，你火花般迸发的电路设计灵感对版图设计也一样没有帮助，画版图要的是拼七巧板的技巧。 当你累死累活的干了三个月之后，才发现已经开始种第二季稻的农民伯伯也没有这么辛苦。由此推算，做一个版图库的工作量约等于种两季稻的工作量。做一个芯片设计师不如种田实在。 不过即使让你干画版图的活你也不用害怕，电脑上高科技的最奇妙的特点在于它的劳动竟然可以重复使用，第一次做单元图库要用两个月的时间，到了第二次做图库时，你可以把第一次图库拷贝过来，修修改改，有两个星期的时间也就可以了，这就是电脑里 COPY 的绝妙之处。真奇怪为什么不把这种电脑科技推广到农业科技上
11、去，要是农民伯伯也采用这些技术的话，他只要专心种好一亩田就可以了，然后跨嗒跨嗒地拷贝它个十万八千亩，于是站在一望无际金黄色田头，看着晨曦下巍巍壮观的麦浪翻滚，就很难控制住“身在田头，胸怀世界”的感觉了。 幸好农民伯伯还没有还没有掌握这门技术，不然实在要叫我们这些搞芯片设计的家伙无地自容了，但我们还十应该抓紧时间，在目前芯片比种田暂时领先的优势下，做出比农民伯伯更多的贡献来。但现在情况不一样了，在这里，有现成的单元版图供你使用，这些单元版图放在一个库里，里面品种繁多，差不多包含的你可能用到的全部品种，不要以为这是什么“演示版”，这是很多芯片设计师正在使用的工作库，你现在要干的活已经不是什么版图设
12、计，而是要干一些类似于你以前经常干的活：给双面线路板布线。 有了单元图库，你就可以进行正常的设计工作，你用以前常用的方法画线路图，然后用相应的元件把它们连接起来，以前一个没有经验的电路设计师往往会按过时的教科书设计电路，结果采购员往往抱怨采购不到元件，甚至要到 Intel 的公司历史陈列室才能看到样品。现在的电路设计师一般都比较关心原器件的供应情况，这条经验在这里同样适用，你应该在设计之前先熟悉单元图库的情况，以免画出了线路图却没有单元可供使用。 芯片设计用到的单元图库中的内容和市面上 CMOS 4000 系列或 TTL 74 系列的内容毕竟还是有一点差异的，比如常用的 JK 触发器，在单元图
13、库就找不到，（或许以后会有热心人补上这个单元），因为在 ASIC 设计中，没有必要使用 JK 触发器，使用它后会在分析电路时造成混乱。你可以很快的适应这些差异，甚至在你通读了一遍单元图库的介绍之后就有胸有成竹的感觉了。 我再次提醒你：你到这里来，是为了设计出集成电路来，而不是研究版图设计技术，如果你是初学者，你设计的版图大概不会比库里面已有的版图更好吧？所以暂时了解一点版图设计就可以了，不要深究，采用现成的单元图库加双面布线技术，尽快的完成你的集成电路吧。如果你遇到的图库里面没有的单元，也不要慌张，请到这里来，问一声，说不定会有那位老手会帮你画一个的，不过，应该是一些比较通用的单元，你别问什么
14、 16 位 AD 转换器、照相机的控制电路这样的单元，要是这样的话，还不如你睡大觉，让别人免费给你设计算了。 说实在的，伟大而又神秘的集成电路版图设计，并不比小孩玩的七巧板复杂多少，下面的触发器的版图，差不多是版图库中最复杂的一个版图，但也就这么样了，没什么大不了的，我不认为你掌握不了它，我只是认为你暂时没有必要掌握它。 别以为这是个示范的版图，这可是个真正的正在使用的版图，我把它叫做 DF06A ，有位设计高手为了做好类似的版图花了大概一个月的时间。我是在他的基础上画这个版图的，所以只花了大约半个月的时间，还有一些延时参数等没有计算。做好了这个版图，差不多就完成了整个标准单元库（100 多个
15、单元）的三分之一的工作量了，因为这是库中最困难的一个版图。 top - 电路设计 最奇妙、最神奇的还是你原来做惯的电路设计，可以玩出很多花样，我以前曾工作过的单位，有一台火车头那么大的塑料机，突然有一天趴下了，这台机器一天做出产品的产值 50 多万，利润好几万，这可把老板给急得熊似的团团乱转，动员了全部机械和塑料的精英，香港的技师也于第二天赶到，可是，会诊的结果是无可奈何。第三天，冒出个懂点电子的家伙，他从一个破收音机里拆了一个电阻，装到机器上一试，那庞大的塑料机居然就此起死回生，当在场的人了解到这个神奇的元件的价值只有人民币两分钱时，全体同时作目瞪口呆状。 到这里来的都是电路设计的行家，我想也用不着解释一个电阻是如何修好塑料机的，太简单
