数字集成电路——电路、系统与设计

1、引言和介绍

1.1 历史回顾

随着芯片制造工艺水平的不断提高，数字集成电路已经成为发明和设计一颗芯片的基础，电路设计的好坏直接影响芯片的性能和功耗等相关参数。数字电子计算的时代从真空管的发明才全面开始的，随后真空管因为功耗过大而被TTL双极型数字逻辑门所替代，然后TTL也因为同样的原因被MOS数字集成电路所替代，最后提出了CMOS来减小功耗。

1.2 设计的问题

摩尔定律：一个芯片上集成的晶体管数目将随着时间按指数级增长。工艺和集成度的要求会越来越高。

时钟偏差会影响数字系统的性能。

电源分布网络如何给每个门电路提供直流电压，从而保证门电路的正常工作。

1.3 数字设计的指标评价

成本、功能、稳定性、性能、能耗。

成本=固定成本+可变成本。

固定成本=耗费时间+人工+研发成本。

可变成本=用于制造产品的成本。

功能=数字电路的设计要求，实现什么样的功能。

稳定性=数字电路在有噪声和偏差等干扰的情况下，还能正常工作的特性。

噪声容限=在噪声的影响下，电路正常工作时可接受的高低电平的变化范围。

再生性：一个受干扰的信号在通过若干逻辑门后逐渐恢复到额定电平。

抗噪声能力：在噪声下，系统正确处理和传输信息的能力。

扇入：一个门输入的数目，会影响门的动态和静态特性。扇入越大，动态和静态特性都会变差。

扇出：连接到一个门输出端的负载门的数目，会影响门的动态和静态特性。扇入越大，动态和静态特性都会变差。

传播延时：反映了一个门对输入信号变化的响应速度，表示一个信号通过一个门所经历的时间，常被定义为输入和输出波形的50%翻转点之间的时间。通俗点讲，就是输入信号从进入这个门开始的时间到这个信号被门所响应并输出的时间之差。

功耗：电路行为所消耗的能量或者热量。功耗=动态功耗+静态功耗。

动态功耗=门开关发生切换所导致的功耗，主要由电容充电和电源与地之间暂时的电流通路导致的。

静态功耗=电源和地之间的静态导电通路或者漏电流。

功耗会影响门的传播时间，能量传输越快，则门的传播时间越小。

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