集成電路研究方向精選(九篇)

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第1篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞：變送器，熱噪聲，閃爍噪聲，微弱信號(hào)傳輸系統(tǒng)

Abstract: In this paper, the analysis and design optimization of 1/f noise are described. The noise of a typical transmitter is analyzed and calculated, including the 1/f noise, also verification with Hspice is done. Through the optimization of output resistance and tran-impedance of the amplifier, better performances were resulted.

Key words: transmitter, hot noise, 1/f noise, low level signal processing systems.

現(xiàn)今的模擬電路設(shè)計(jì)者經(jīng)常要考慮噪聲的問題，因?yàn)樵肼暿?a href="http://www.articshipping.com/haowen/187377.html" target="_blank">集成電路設(shè)計(jì)中重要的因素之一，它決定著微弱信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能。由于集成系統(tǒng)的噪聲由組成該系統(tǒng)的基本集成單元的噪聲特性決定，所以為了優(yōu)化電路的噪聲，了解每個(gè)基本單元所產(chǎn)生的噪聲是非常重要的。

本文首先對(duì)噪聲的特性、種類進(jìn)行了簡單描述，并給出了一些有關(guān)噪聲計(jì)算的公式。同時(shí)重點(diǎn)分析了一種變送器電路中的噪聲，計(jì)算出了電路中各端口的噪聲，以及總的輸出噪聲，并通過HSPICE仿真驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。其次對(duì)產(chǎn)生較大噪聲的模塊進(jìn)行分析，最后提出了針對(duì)該電路的噪聲優(yōu)化的具體方法。

1噪聲的統(tǒng)計(jì)特性[1]

噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程，也就是說噪聲的瞬時(shí)值在任何時(shí)候都不能被預(yù)測。但在很多情況下，噪聲的平均功率是可以被預(yù)測的。從基本電路理論可知，一個(gè)周期性電壓V（t）加在一個(gè)負(fù)載電阻RL上消耗的平均功率由下式給出：

T是周期。Pav可被形象地看作是V（t）在RL上產(chǎn)生的平均熱能。由于噪聲的隨機(jī)性，測量須在較長的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。

其中x（t）表示電壓量。圖1.1表示對(duì)每個(gè)信號(hào)取平方，在較長時(shí)間T內(nèi)計(jì)算由此產(chǎn)生的波形下的面積，平均功率可通過將面積對(duì)T歸一化后得到。

1.1 噪聲譜

噪聲譜,也稱為“功率密度譜”（PSD），表示在每個(gè)頻率上，信號(hào)具有的功率大小。

1.2 幅值分布

通過長時(shí)間的觀察噪聲波形，可以構(gòu)造出噪聲幅值的分布，表示出每個(gè)值出現(xiàn)多么頻繁，x（t）的分布，也被稱為“概率密度函數(shù)”（PDF），被定義為

PX（X）dx=x

的概率.式中X是在一些時(shí)間點(diǎn)上測量出的x（t）值。

2噪聲的類型[2]

集成電路處理的模擬信號(hào)主要會(huì)受兩種不同類型的噪聲影響：熱噪聲和閃爍噪聲。

2.1 熱噪聲

導(dǎo)體中電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)盡管平均電流為零，但是它會(huì)引起導(dǎo)體兩端電壓的波動(dòng)。因此，熱噪聲譜與絕對(duì)溫度成正比。

如圖1.2所示，電阻R上的熱噪聲可以用一個(gè)串聯(lián)的電壓源來模擬，其單邊譜密度為：

Sv （f）=4kTRf≥0 （1.5）

式中k=1.38e-23J/K是玻爾茲曼常數(shù)。Sv（f）的單位是V2/Hz

2.2 閃爍噪聲

在MOS晶體管的柵氧化層和硅襯底的界面處出現(xiàn)許多“懸掛”鍵，產(chǎn)生額外的能態(tài)。當(dāng)電荷載流子運(yùn)動(dòng)到這個(gè)界面時(shí)，有一些被隨機(jī)地俘獲，隨后又被釋放，結(jié)果在漏電流中產(chǎn)生“閃爍”噪聲。

閃爍噪聲可以更容易地用一個(gè)與柵極串聯(lián)的電壓源來模擬，近似地由下式給出

式中K是一個(gè)與工藝有關(guān)的常量，我們的表示法假設(shè)了1Hz的帶寬。與懸掛鍵相關(guān)的俘獲―釋放現(xiàn)象在低頻下更常發(fā)生，正因如此，閃爍噪聲也叫1/f噪聲。式（1.6）與WL的反比關(guān)系表明要減小1/f噪聲的方法，就是必須增加器件面積。

3變送器中的噪聲[3]

本文以一種變送器電路為例，分析其噪聲。該電路中既存在熱噪聲也存在閃爍噪聲，熱噪聲主要是由電阻產(chǎn)生的。由于該電路是一種主要工作在低頻狀態(tài)下的變送器，根據(jù)式（1.6）可知，閃爍噪聲與頻率成反比，所以電路中的噪聲以1/f噪聲為主。圖1.3為該變送器的功能結(jié)構(gòu)圖。其中A1,A2是差分輸入的放大器, A3是實(shí)現(xiàn)19倍電流放大關(guān)系的放大器，IREF1,IREF2是兩個(gè)1mA的電流源。該變送器是一個(gè)精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大并變換成4mA～20mA的電流信號(hào)后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。輸入輸出的關(guān)系式為：Io=4mA+（0.016 由于噪聲會(huì)影響電路的線性度，而該電路對(duì)線性度的要求很高，所以我們要盡量降低其噪聲。

（1）總體噪聲的分析

我們先根據(jù)公式估算一下電路的總體閃爍噪聲. 噪聲公式為：

作頻率，該電路工作在低頻狀態(tài)，本文設(shè)f=100 Hz, fH為帶寬，本設(shè)計(jì)將整體電路的帶寬設(shè)為118 Hz, fL為低頻截止點(diǎn)，設(shè)為100 Hz。因此由公式得：

通過HSPICE仿真可以驗(yàn)證該電路的總的輸出噪聲。仿真時(shí)本文用到的是上海貝嶺工藝廠提供的PNP管, NPN管,以及電阻和電容的模型。為了接近實(shí)際情況，根據(jù)廠家測試數(shù)據(jù)本仿真將模型中的兩個(gè)噪聲參數(shù)設(shè)定為AF=2,KF=5e-03然后利用.AC DEC 100 1 100k的交流卡和.NOISE OUTV INSRC NUMS 的噪聲卡語句對(duì)電路進(jìn)行交流仿真，結(jié)果如圖1.4所示。橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為噪聲值。它表示的是圖1.3中Io處的總的電壓輸出噪聲。由圖 （2）各結(jié)點(diǎn)噪聲的分析

IREF1,IREF2結(jié)點(diǎn)處的噪聲為

本文計(jì)算的是閃爍噪聲，而仿真結(jié)果還包含熱噪聲及其它噪聲?？梢钥闯鲚敵黾?jí)的噪聲比前一級(jí)低很多，下面具體分析一下降噪的方法。

4本設(shè)計(jì)采用的降噪方法

本設(shè)計(jì)主要是通過降低輸出電阻和采用差分輸入的電路結(jié)構(gòu)來降低噪聲的。

1. 由式（1.5）給出的噪聲表達(dá)式可知，它與電阻值成正比。在電路中噪聲值也與該電路的等效輸出電阻成正比。利用HSPICE元件卡中的電阻仿真語句，進(jìn)行交流仿真并對(duì)很短的頻率進(jìn)行掃描分別得出了兩個(gè)電流源的等效輸出電阻和電路中總的輸出電阻。如圖1.6和圖1.7所示。 從仿真結(jié)果中可以看出，電流源的等效輸出電阻為2.6kΩ，電路總的等效輸出電阻為17.7Ω。它們的比例與噪聲的比例相近。因此電流源的輸出噪聲與其等效輸出電阻是密切相關(guān)的?？梢姳驹O(shè)計(jì)是通過降低等效輸出電阻降低了輸出噪聲。

2.如圖1.8，1.9所示，為跨導(dǎo)放大器的示意圖和電路結(jié)構(gòu)圖。INN3,SPAN5,INP4,SPAN6分別是跨導(dǎo)放大器的兩個(gè)輸入端。兩個(gè)跨導(dǎo)放大器構(gòu)成了一個(gè)大的差分結(jié)構(gòu)。由于差分結(jié)構(gòu)對(duì)稱點(diǎn)上的增量（交流）接地，因而不會(huì)受到電流源接地回路中寄生參數(shù)的影響。差分結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它有抑制共模干擾的能力。這一考慮在混合信號(hào)應(yīng)用別重要，差分結(jié)構(gòu)的放大器對(duì)抑制噪聲也有顯著的作用。由于MOS晶體管的溝道電阻產(chǎn)生熱噪聲，所以選擇雙極差分輸入會(huì)得到一個(gè)相對(duì)好的噪聲系數(shù)。

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如果要對(duì)該電路進(jìn)行進(jìn)一步的噪聲優(yōu)化，可以考慮采用增加器件面積的方法去減小1/f噪聲。因?yàn)槠骷娣e的增加，會(huì)使流過器件的電流密度減小，使得電荷載流子被“懸掛”鍵俘獲的數(shù)量減少，從而降低漏電流中產(chǎn)生的閃爍噪聲。

5總結(jié)

噪聲現(xiàn)象及其在模擬電路中的影響越來越受到關(guān)注，因?yàn)樵肼暸c功耗、速度和線性度之間是互相制約的。本文對(duì)一種變送器產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了分析，提出了利用減小輸出電阻和采用差分電路結(jié)構(gòu)以及加大器件面積的方式來降低噪聲的方法，噪聲計(jì)算和仿真的結(jié)果均符合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

盧劍，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

律博，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

劉峻，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

王鴻鵬，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

郭宇，高級(jí)工程師，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

蘇建華，碩士研究生，研究方向：集成電路的設(shè)計(jì)與研究;

吳春瑜，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事集成電路及半導(dǎo)體器件的教學(xué)與研究;

第2篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞:節(jié)能;減排;功率半導(dǎo)體

Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s

ZHANG Bo

(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,

University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)

Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.

Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device

1引言

功率半導(dǎo)體芯片包括功率二極管、功率開關(guān)器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術(shù)的迅速發(fā)展,功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制擴(kuò)展到4C產(chǎn)業(yè)(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車電子),滲透到國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體器件是進(jìn)行電能處理的半導(dǎo)體產(chǎn)品。在可預(yù)見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機(jī)、電視、洗衣機(jī)、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風(fēng)電,甚至各種電池提供的化學(xué)電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換以后才能供設(shè)備使用。每個(gè)電子產(chǎn)品均離不開功率半導(dǎo)體器件。使用功率半導(dǎo)體的目的是使用電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調(diào)速,使變頻空調(diào)在節(jié)能70%的同時(shí),更安靜、讓人更舒適。手機(jī)的功能越來越多,同時(shí)更加輕巧,很大程度上得益于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和功率半導(dǎo)體的進(jìn)步。同時(shí),人們希望一次充電后有更長的使用時(shí)間,在電池沒有革命性進(jìn)步以前,需要更高性能的功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行高效的電源管理。正是由于功率半導(dǎo)體能將 ‘粗電’變?yōu)椤姟?因此它是節(jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。

隨著綠色環(huán)保在國際上的確立與推進(jìn),功率半導(dǎo)體的發(fā)展應(yīng)用前景更加廣闊。據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測,2011年功率半導(dǎo)體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲(chǔ)器等數(shù)字集成半導(dǎo)體相比,功率半導(dǎo)體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產(chǎn)品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時(shí),功率半導(dǎo)體也不要求最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝,其生產(chǎn)線成本遠(yuǎn)低于Moore定律制約下的超大規(guī)模集成電路。因此,功率半導(dǎo)體非常適合我國的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國能源緊張和構(gòu)建和諧社會(huì)的國情。

目前,國內(nèi)功率半導(dǎo)體高端產(chǎn)品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進(jìn)口替代才剛剛開始。因此國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在提升工藝水平的同時(shí),應(yīng)不斷提高國內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和產(chǎn)品性能,以滿足高端市場的需求,促進(jìn)功率半導(dǎo)體市場的健康發(fā)展以及國內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

2需求分析

消費(fèi)電子、工業(yè)控制、照明等傳統(tǒng)領(lǐng)域市場需求的穩(wěn)定增長,以及汽車電子產(chǎn)品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導(dǎo)體市場繼續(xù)保持穩(wěn)步的增長速度。同時(shí),高效節(jié)能、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今全世界的共識(shí),提高效率與減小待機(jī)功耗已成為消費(fèi)電子與家電產(chǎn)品的兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)。中國目前已經(jīng)開始針對(duì)某些產(chǎn)品提出能效要求,對(duì)冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行了能效標(biāo)識(shí),這些提高能效的要求又成為功率半導(dǎo)體迅速發(fā)展的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。

根據(jù)CCID的統(tǒng)計(jì),從2004年到2008年,中國功率器件市場復(fù)合增長率達(dá)到17.0%,2008年中國功率器件市場規(guī)模達(dá)到828億元,在嚴(yán)重的金融危機(jī)下仍然同比增長7.8%,預(yù)計(jì)未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機(jī)產(chǎn)品更加重視節(jié)能、高效,電源管理IC、功率驅(qū)動(dòng)IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導(dǎo)體市場中的發(fā)展亮點(diǎn)。

在政策方面,國家中長期重大發(fā)展規(guī)劃、重大科技專項(xiàng)、國家863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在國家剛剛出臺(tái)的“電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃”中,強(qiáng)調(diào)著重從集成電路和新型元器件技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面開展系統(tǒng)深入的研究,為我國信息產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術(shù)、半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電力電子技術(shù)是未來5～15年15個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。在目前國家重大科技專項(xiàng)的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”和“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個(gè)專項(xiàng)中,也將大屏幕PDP驅(qū)動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)化、數(shù)字輔助功率集成技術(shù)研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等功率半導(dǎo)體相關(guān)課題列入支持計(jì)劃。在國家973計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和重大項(xiàng)目中,屬于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的基礎(chǔ)研究一直是受到大力支持的研究方向。

總體而言,從功率半導(dǎo)體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導(dǎo)體的發(fā)展呈現(xiàn)以下三個(gè)方面的趨勢:① 硅基功率器件以實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化為發(fā)展目標(biāo);② 高壓集成工藝和功率IC以應(yīng)用研究為主導(dǎo)方向;③ 第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件、系統(tǒng)功率集成芯片PSoC以基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)。

3功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢

四十多年來,半導(dǎo)體技術(shù)沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數(shù)上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應(yīng)越來越明顯,同時(shí)芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展必須考慮“后摩爾時(shí)代”問題,2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。

從路線圖可以清楚看到,未來半導(dǎo)體技術(shù)主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個(gè)維度的方向不斷發(fā)展,同時(shí)又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價(jià)值優(yōu)先的多功能集成系統(tǒng)?！癕ore Moore”是指繼續(xù)遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內(nèi)存對(duì)增加性能/容量和降低價(jià)格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續(xù)縮小,還包括與此關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)和新材料的運(yùn)用等。而“More Than Moore”強(qiáng)調(diào)功能多樣化,更注重所做器件除了運(yùn)算和存儲(chǔ)之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價(jià)值。以價(jià)值優(yōu)先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強(qiáng)調(diào)縮小特征尺寸,但注重系統(tǒng)集成,在增加功能的同時(shí),將系統(tǒng)組件級(jí)向更小型、更可靠的封裝級(jí)(SiP)或芯片級(jí)(SoC)轉(zhuǎn)移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術(shù)即是“More Than Moore”思想的一種實(shí)現(xiàn)方式,它是以硅材料為基礎(chǔ)的,跨領(lǐng)域(包括電子、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、生物、醫(yī)藥等等)的復(fù)合型集成技術(shù),其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發(fā)光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動(dòng)器)+LSI等的結(jié)合。

在功能多樣化的“More Than Moore”領(lǐng)域,功率半導(dǎo)體是其重要組成部分。雖然在不同應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的要求有所不同,但從其發(fā)展趨勢來看,功率半導(dǎo)體技術(shù)的目標(biāo)始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發(fā)展新的器件理論和結(jié)構(gòu),促進(jìn)各種新型器件的發(fā)明和應(yīng)用。下面我們對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件、功率集成電路和功率系統(tǒng)集成三個(gè)方面的發(fā)展趨勢進(jìn)行梳理和分析。

1) 功率半導(dǎo)體(分立)器件

功率半導(dǎo)體(分立)器件國內(nèi)也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現(xiàn)有功率半導(dǎo)體(分立)器件能適應(yīng)市場需求的快速變化,需要大量融合超大規(guī)模集成電路制造工藝,不斷改進(jìn)材料性能或開發(fā)新的應(yīng)用材料、繼續(xù)優(yōu)化完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝技術(shù)等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導(dǎo)體(分立)器件領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向主要為器件新結(jié)構(gòu)和器件新材料。

在器件新結(jié)構(gòu)方面,超結(jié)(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導(dǎo)通電阻2.5次方關(guān)系,被國際上譽(yù)為“功率MOS器件領(lǐng)域里程碑”。超結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為半導(dǎo)體功率器件發(fā)展的一個(gè)重要方向,目前國際上多家半導(dǎo)體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術(shù)生產(chǎn)低功耗MOS器件。對(duì)于IGBT器件,其功率損耗和結(jié)構(gòu)發(fā)展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結(jié)構(gòu)是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結(jié)結(jié)構(gòu)(Planar),槽柵結(jié)構(gòu)(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優(yōu)值,同時(shí)通過IGBT的版圖和柵極優(yōu)化,還可以進(jìn)一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。

功率半導(dǎo)體(分立)器件發(fā)展的另外一個(gè)重要方向是新材料技術(shù),如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn),是高壓、高溫、高頻、大功率應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN功率器件技術(shù)是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的高新技術(shù),具有極其重要的軍用和民用價(jià)值,因此得到國內(nèi)外眾多半導(dǎo)體公司和研究結(jié)構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2) 功率集成電路(PIC)

功率集成電路是指將高壓功率器件與信號(hào)處理系統(tǒng)及接口電路、保護(hù)電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現(xiàn)代功率電子技術(shù)的核心技術(shù)之一,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術(shù))發(fā)展,同時(shí)也向集成更多的控制(包括時(shí)序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護(hù)電路的高密度功率集成發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的智能控制能力。

3)功率系統(tǒng)集成

功率系統(tǒng)集成技術(shù)在向低功耗高密度功率集成技術(shù)發(fā)展的同時(shí),也逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)SoC和CPU、DSP等領(lǐng)域。目前,SoC的低功耗問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸,研發(fā)新的功率集成技術(shù)是解決系統(tǒng)低功耗的重要途徑,同時(shí),隨著線寬的進(jìn)一步縮小,內(nèi)核電壓降低,對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高要求。為了在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數(shù)字輔助的手段,即數(shù)字輔助功率集成技術(shù)(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術(shù)是近幾年數(shù)字輔助模擬設(shè)計(jì)在功率集成方面的深化與應(yīng)用,即采用更多數(shù)字的手段,輔助常規(guī)的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進(jìn)工藝線上得到更好性能的電路。

4我國功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀、

問題及發(fā)展建議

在中國半導(dǎo)體行業(yè)中,功率半導(dǎo)體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發(fā)展速度滯后于大規(guī)模集成電路。國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件廠商的主要產(chǎn)品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進(jìn)的超結(jié)低功耗功率MOS尚無法生產(chǎn),另一主流產(chǎn)品IGBT尚處于研發(fā)階段。寬禁帶半導(dǎo)體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對(duì)市場應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件(電力電子器件)的產(chǎn)品研發(fā)。目前市場熱點(diǎn)的高壓BCD集成技術(shù)雖然引起了從功率半導(dǎo)體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關(guān)注,但目前尚未有成熟穩(wěn)定的高壓BCD工藝平臺(tái)可供高性能智能功率集成電路的批量生產(chǎn)。

由于高性能功率半導(dǎo)體器件技術(shù)含量高,制造難度大,目前國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)與國外先進(jìn)水平存在較大差距,很多中高端功率半導(dǎo)體器件必須依賴進(jìn)口。技術(shù)差距主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)占據(jù)主要市場,而國內(nèi)功率器件生產(chǎn)還以傳統(tǒng)雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優(yōu)值的功率MOS器件產(chǎn)品,國際上熱門的以超結(jié)(Super junction)為基礎(chǔ)的低功耗MOS器件國內(nèi)尚處于研發(fā)階段;IGBT只能研發(fā)基于穿通型PT工藝的600V產(chǎn)品或者NPT型1200V低端產(chǎn)品,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平。(2)工藝技術(shù)水平較低。功率半導(dǎo)體分立器件的生產(chǎn),國內(nèi)大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級(jí)工藝線,主流技術(shù)水平和國際水平相差至少2代以上,產(chǎn)品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發(fā)展,國內(nèi)半導(dǎo)體工藝條件已大大改善,已擁有進(jìn)行一些高端產(chǎn)品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結(jié)器件的生產(chǎn)能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設(shè)計(jì)人才和工藝開發(fā)人才非常缺乏?，F(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計(jì)水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設(shè)計(jì)人才非常缺乏。(4)國內(nèi)市場前十大廠商中無一本土廠商,半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)仍處在國際產(chǎn)業(yè)鏈分工的中低端,對(duì)于附加值高的產(chǎn)品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現(xiàn)階段國內(nèi)僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續(xù)的技術(shù)依賴。

筆者認(rèn)為,功率半導(dǎo)體是最適合中國發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),相對(duì)于超大規(guī)模集成電路而言,其資金投入較低,產(chǎn)品周期較長,市場關(guān)聯(lián)度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業(yè)。但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面,應(yīng)大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。

功率半導(dǎo)體芯片不同于以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路,功率半導(dǎo)體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設(shè)計(jì)與工藝制造密切相關(guān),因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業(yè)。但隨著代工線的迅速發(fā)展,國內(nèi)如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導(dǎo)體器件的代工服務(wù),并正積極開發(fā)高壓功率集成電路制造平臺(tái)。功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)借鑒集成電路設(shè)計(jì)公司的成功經(jīng)驗(yàn),成立獨(dú)立的功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)公司,充分利用代工線先進(jìn)的制造手段,依托自身的銷售網(wǎng)絡(luò),生產(chǎn)高附加值的高端功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。

設(shè)計(jì)弱于芯片的局面起源于設(shè)計(jì)力量的薄弱。雖然國內(nèi)一些功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)新近建設(shè)了6英寸功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)線,但生產(chǎn)能力還遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。筆者認(rèn)為其中的關(guān)鍵是技術(shù)人員特別是具有國際視野和豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)人才的不足。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)與引進(jìn),積極開展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作,以雄厚的技術(shù)實(shí)力支撐企業(yè)的發(fā)展。

我國功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展最終還應(yīng)依靠功率半導(dǎo)體IDM企業(yè),在目前自身生產(chǎn)條件落后于國際先進(jìn)水平的狀況下,IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力,應(yīng)充分依托國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場空間,用技術(shù)去開拓市場,逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整機(jī)發(fā)展轉(zhuǎn)變;大力發(fā)展設(shè)計(jì)能力,一方面依靠自身工藝線進(jìn)行生產(chǎn),加強(qiáng)技術(shù)改造和具有自身工藝特色的產(chǎn)品創(chuàng)新,另一方面借用先進(jìn)代工線的生產(chǎn)能力,壯大自身產(chǎn)品線,加速企業(yè)發(fā)展。

5結(jié)束語

總之,功率半導(dǎo)體技術(shù)自新型功率MOS器件問世以來得到長足進(jìn)展,已深入到工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的各個(gè)方面。與國外相比,我國在功率半導(dǎo)體技術(shù)方面的研究存在著一定差距,但同時(shí)日益走向成熟?？傮w而言,功率半導(dǎo)體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展;伴隨制造技術(shù)已進(jìn)入深亞微米時(shí)代,新結(jié)構(gòu)、新工藝硅基功率器件正不斷出現(xiàn)并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件也正不斷走向成熟。

我國擁有國際上最大的功率半導(dǎo)體市場,擁有迅速發(fā)展的半導(dǎo)體代工線,擁有國際上最大規(guī)模的人才培養(yǎng)能力,但中國功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面。功率半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)力量的引進(jìn)和培養(yǎng),大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。

第3篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞：摩爾定律；晶體管；電子信息產(chǎn)業(yè)

中圖分類號(hào)：TN-9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）23-0170-02

一、引言

摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登?摩爾（Gordon Moore）在搜集1959年至1965年集成電路上晶體管數(shù)量的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，于1965年4月提出的[1]。即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。戈登?摩爾提出摩爾定律后的幾年內(nèi)，世界多數(shù)半導(dǎo)體公司按照這個(gè)定律制定了產(chǎn)品更新策略。1969年，摩爾和朋友建立英特爾公司并制定電子信息產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此后，英特爾公司生產(chǎn)的大量產(chǎn)品都驗(yàn)證了摩爾定律的準(zhǔn)確性。直到目前，全球仍有多數(shù)知名半導(dǎo)體制造公司一直遵循摩爾定律進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，如英特爾、高通、AMD、ST等[2]。

摩爾定律核心是不斷增加的晶體管的數(shù)目，以及更強(qiáng)大的性能和更高的集成度，這也會(huì)帶來一系列問題，如設(shè)計(jì)者需要使用各種方法來解決高溫問題[3]。但這卻能促進(jìn)制作工藝的提升和集成電路中晶體管數(shù)目的增加。一方面，更強(qiáng)大的性能來源于更多晶體管數(shù)目；另一方面，制作工藝的更新也促進(jìn)性能的提升。很多制造集成電路的工藝被英特爾公司使用，比如180nm，90nm，65nm，45nm，32nm等，來也將有14nm和10nm[4]。其他半導(dǎo)體制造公司也有各自的制作工藝，如臺(tái)積電公司等。

基于以上問題和相關(guān)介紹，從1965年起，幾乎所有的半導(dǎo)體廠商都遵循了摩爾定律。每一次進(jìn)步都使得集成電路上能容納更多的晶體管，并且?guī)砀土膬r(jià)格。然而，在摩爾定律提出的40年以來，也出現(xiàn)了一些問題，一度讓人們懷疑摩爾定律是否會(huì)被終結(jié)[5-6]。但是摩爾定律一直發(fā)展到了今天，在未來幾年內(nèi)也會(huì)一直有效。

二、摩爾定律與晶體管數(shù)目

1.晶體管數(shù)目增加的影響。摩爾定律的經(jīng)典結(jié)論是，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月增加一倍，性能也提升一倍。不斷增加的晶體管數(shù)量意味著更強(qiáng)大的性能，包括更多的功能和更快的運(yùn)行速度。集成電路功能可以不斷提升。例如，原來的8051單片機(jī)沒有集成片上模數(shù)轉(zhuǎn)換，而現(xiàn)在的單片機(jī)如集成Cortex-M3內(nèi)核的STM32內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。這些模塊的增加給工程設(shè)計(jì)帶來很多便利，在印刷電路板上不再需要額外的集成電路，并且可以提高傳感器的精確度，在AMD的Tahiti XT中集成了4，312，711，873個(gè)三極管[7]。最近幾年，提出了一個(gè)新的概念――片上系統(tǒng)（Soc）。片上系統(tǒng)的集成電路可以擁有更強(qiáng)大的系統(tǒng)功能、更低廉的價(jià)格以及更低的耗電量和更小的供電電壓。同時(shí)，更多的晶體管意味著更快的運(yùn)行速度。目前最大的個(gè)人CPU I7-3970X擁有22.7億個(gè)晶體管[8]，而上一代最大的個(gè)人CPU I7-990X擁有10.17億個(gè)晶體管[9]。目前最大個(gè)人電腦的核心部件如表1所示。

2.晶體管數(shù)目對(duì)溫度的影響。工程設(shè)計(jì)人員希望通過增加單位面積里晶體管的數(shù)量來提高性能，并希望通過更先進(jìn)的制造工藝來控制溫度。所以新型集成電路的溫度并不會(huì)比之前集成電路的低。如今，設(shè)計(jì)者也可以使用其他途徑來解決溫度問題。多數(shù)電腦使用風(fēng)扇或者水冷，甚至液氮來冷卻。為了更有效率地對(duì)集成電路進(jìn)行冷卻，冷卻技術(shù)需要不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高?，F(xiàn)今集成電路冷卻業(yè)是一個(gè)大產(chǎn)業(yè)并且不斷發(fā)展，世界上有很多專注于此的公司。

三、摩爾定律與價(jià)格

當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。因?yàn)榧呻娐返膬r(jià)格主要來源于制作工藝提升的費(fèi)用，更先進(jìn)的制作設(shè)備需要更先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和工廠來支持，而集成電路原料的價(jià)格可以忽略。英特爾公司在設(shè)計(jì)集成電路之外，也建立了先進(jìn)的工廠來保證制造工藝。建造工廠需要花費(fèi)大量的物理與財(cái)力，所以需要通過增加產(chǎn)品的數(shù)量并增加工廠的工作年限來減少生產(chǎn)集成電路的平均費(fèi)用。臺(tái)積電是一個(gè)非常著名的集成電路制造代工公司，它使用了另一種方法來減少生產(chǎn)集成電路的平均費(fèi)用。NVDIA，AMD，Qualcomm以及一些其他的集成電路設(shè)計(jì)公司都是臺(tái)積電的客戶。通過幫助大量的集成電路設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)集成電路，臺(tái)積電可以生產(chǎn)出大量的產(chǎn)品來提供建設(shè)廠房所需要的花費(fèi)。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)是為了計(jì)算炮彈彈道而生產(chǎn)的，所以擁有足夠的軍費(fèi)支持。而工業(yè)中費(fèi)用的問題不能忽視，所以集成電路變得越來越廉價(jià)，嵌入式系統(tǒng)也被運(yùn)用在工業(yè)控制中。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)低廉的價(jià)格，除了工業(yè)控制之外，其他很多領(lǐng)域也在使用單集成電路微處理器。例如智能家居、智能手機(jī)、無人飛機(jī)等等。在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛運(yùn)用的電子設(shè)備是使我們的生活能變得更智能更現(xiàn)代的原因之一。在摩爾提出摩爾定律的1965年，這些智能化生活都是不可想象的。

四、摩爾定律未來發(fā)展趨勢

1965年提出的摩爾定律對(duì)世界來說是一個(gè)重大事件。而現(xiàn)在，我們將怎樣評(píng)價(jià)它48年來對(duì)世界的影響？不管怎樣，摩爾定律巨大的影響是不可否認(rèn)的。在摩爾的眼里，摩爾定律所揭示的速度是不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去的[3]。一些文章認(rèn)為摩爾定律將會(huì)因?yàn)槁╇娏骱透邷乇唤K結(jié)[5]。一些其他的觀點(diǎn)則認(rèn)為導(dǎo)致摩爾定律終結(jié)的原因是制造商不能收回研發(fā)和建造工廠的巨大成本[6]。一個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)出版的名為“未來技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖”的文件指出，10nm級(jí)的工藝是關(guān)鍵，因?yàn)橐酝臋C(jī)械制作工藝將不能達(dá)到其制造的所需要求[6]。關(guān)于摩爾定律的繼續(xù)發(fā)展和未來影響，我們有以下看法。

第一，首先是制造工藝上的一些問題。依照目前的發(fā)展趨勢，有兩個(gè)方面的問題越來越明顯，就是關(guān)于漏電流和高溫。這些問題需要通過制造工藝的進(jìn)步來解決。摩爾曾經(jīng)指出漏電流將會(huì)限制摩爾定律發(fā)展，當(dāng)晶體管的尺寸不斷減小，漏電流的影響將使得功耗增大。如果設(shè)計(jì)者不斷減小晶體管的尺寸，電流將變得越來越大并燒毀晶體管。

得益于3D晶體管技術(shù)，這個(gè)由于漏電流產(chǎn)生的問題暫時(shí)得到了解決，集成電路還可以工作在更低的驅(qū)動(dòng)電壓下。關(guān)于溫度，由于更先進(jìn)的制造工藝，在保持同樣晶體管數(shù)量和性能下，新型號(hào)的集成電路的溫度總會(huì)低于舊型號(hào)的集成電路。在奔騰4時(shí)代，英特爾不能很好地解決高溫的問題。但得益于多核技術(shù)，英特爾推出了名為酷睿的產(chǎn)品來解決這個(gè)問題?，F(xiàn)在，很多移動(dòng)平臺(tái)集成電路供應(yīng)商都使用多核技術(shù)來解決高溫的問題。同時(shí)，為了控制功耗在100W以下，一個(gè)叫ARM的著名集成電路公司推出了一個(gè)名為big.little的新異構(gòu)計(jì)算解決方案，這個(gè)架構(gòu)將功耗高、性能強(qiáng)的處理器，與功耗低、性能弱的處理器封裝在一起。并希望借此能提高處理器的效率，產(chǎn)生能達(dá)到高性能但功耗低的處理器。

各種新出現(xiàn)的技術(shù)問題將導(dǎo)致發(fā)展放緩。首先在于集成電路的制造方面，比如當(dāng)集成電路達(dá)到10nm數(shù)量級(jí)時(shí)，光學(xué)加工手段將會(huì)取代機(jī)械加工手段。英特爾使用疝燈產(chǎn)生的遠(yuǎn)紫外線來雕刻集成電路，IBM使用X光，這將可能解決工藝尺寸的問題，比如制造14nm尺寸的芯片。如果新的制造手段將被發(fā)現(xiàn)，將繼續(xù)提高集成電路性能。再看看其他方面的限制，比如耗電問題。目前芯片性能的進(jìn)步很快，但同時(shí)也會(huì)增加耗電量。這些都可能是集成電路發(fā)展的一個(gè)不可逾越的瓶頸，導(dǎo)致摩爾定律不再適用，電子信息產(chǎn)業(yè)不再迅速發(fā)展。

而對(duì)于工藝的更新速度，可以參考英特爾的策略，根據(jù)英特爾提出的“Tick-Tock”戰(zhàn)略，在接下來的一年，將會(huì)有7nm和5nm制作工藝的集成電路推出。當(dāng)“Tick”年來到，集成電路的制程將會(huì)更新；而“Tock”年到來時(shí)，集成電路的微處理器架構(gòu)將會(huì)更新[9]。

第二，財(cái)務(wù)因素是每個(gè)公司發(fā)展的決定性因素。一些專家認(rèn)為公司無法負(fù)擔(dān)起建設(shè)新廠房所需要的大量資金。新的集成電路所帶來的利潤不足以讓公司支付這些費(fèi)用并盈利，集成電路的更新速度將會(huì)放緩。目前，英特爾正在以色列建設(shè)10nm生產(chǎn)工藝的工廠。在電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，硬件能力的增長跟不上軟件需求發(fā)展的速度（軟件設(shè)計(jì)總是需要更高性能的硬件），所以對(duì)硬件的性能提升有很大的需求，每次硬件的增長都被快速地應(yīng)用在軟件上。而現(xiàn)在軟件的復(fù)雜性增長已經(jīng)趨于平緩，而不是繼續(xù)高速復(fù)雜化。比如新一代的Windows 8操作系統(tǒng)對(duì)硬件的要求甚至低于老一代操作系統(tǒng)Windows 7[8]。一直致力于提高芯片性能的英特爾也推出了功耗更低和超低電壓CPU，由英特爾極力推廣的超極本逐漸成為了未來筆記本的發(fā)展方向。另一方面因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶并不需要如此強(qiáng)勁的性能，而更加看重用戶體驗(yàn)，加上購買高性能處理器的花費(fèi)太高，導(dǎo)致技術(shù)進(jìn)步的速度受到限制。比如只有少部分中國人使用昂貴的I7處理器。如果不能有效地控制成本，并且沒有大量的市場需求，集成電路性能提高的速度將大大放緩。

第三，全新的制造材料將改變集成電路的發(fā)展方向。在晶體管發(fā)明以前，沒有人能預(yù)料到今天電子信息產(chǎn)業(yè)的繁榮。也許我們能使用新的材料或者技術(shù)來改變現(xiàn)狀。我們可以考慮使用其他的半導(dǎo)體元素代替硅元素制作晶體管，比如元素周期表上第三和第五族的元素。利用它們不同的屬性，提高芯片的性能。但這可能僅僅是權(quán)宜之計(jì)，因?yàn)樗鼈兛赡芤矔?huì)遇到與硅元素相同的問題。石墨烯也是一個(gè)很有希望的晶體管材料。但是它也有很多問題，比如沒有足夠的帶隙，人們對(duì)它的了解也不足夠充分。這些材料和技術(shù)目前都處于探索之中，未來也許也會(huì)有新技術(shù)出現(xiàn)，并帶來革命性的改變。如果將來的某個(gè)發(fā)明，改變了集成電路性能提升的方式，或者產(chǎn)生了新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，取代了現(xiàn)有的集成電路工作原理，那么摩爾定律可能將不再適用。

五、結(jié)論

由本文的研究分析可以得出，目前集成電路的發(fā)展還會(huì)遵循摩爾定律，并伴隨電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。而若干年以后，集成電路和電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度將會(huì)放緩。此外，集成電路性能提升的方式也可能會(huì)發(fā)生改變。

目前，電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展飛速，如同大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)一樣，由剛剛興起時(shí)的發(fā)展困難到隨后的一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，然后又逐漸趨向平穩(wěn)。在電子信息產(chǎn)業(yè)中，這種現(xiàn)象可能出現(xiàn)在五年后，也可能在十年或者二十年以后。但這一天一定會(huì)到來，沒有人可以打破這個(gè)基本的自然規(guī)律。在未來幾年內(nèi)，摩爾定律還將適用，電子信息產(chǎn)業(yè)仍將快速蓬勃發(fā)展。在未來的某天，摩爾定律將失去它的價(jià)值，電子信息產(chǎn)業(yè)也將會(huì)以其他的形式和方向繼續(xù)發(fā)展。

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第4篇：集成電路研究方向范文

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)技術(shù)；技術(shù)創(chuàng)新；創(chuàng)新原因

一、電子計(jì)算機(jī)發(fā)展中的突破性進(jìn)展及其技術(shù)原因

由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于復(fù)雜計(jì)算量任務(wù)的需求日益增加，人們迫切需要一種能夠進(jìn)行精確計(jì)算的電子設(shè)備，于是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，在隨后的幾年中，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了更加迅速的發(fā)展，并取得了很多里程碑式的突破，其主要表現(xiàn)和原因如下：

（一）晶體管技術(shù)與晶體管計(jì)算機(jī)的發(fā)明

在第二次世界大戰(zhàn)以前，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員發(fā)現(xiàn)了一種能夠使得微弱電流少量的變化，能夠?qū)α硗獾碾娏鳟a(chǎn)生很大影響的材料，人們稱之為“晶體管”；后來，人們逐漸發(fā)展晶體管在工作上不僅能夠替代原有部件的作用，而且能夠更好地提高計(jì)算機(jī)的性能，于是一些科研人員開始研究以晶體管計(jì)算機(jī)代替原有的電子管計(jì)算機(jī)，并確立了讀寫方便的二進(jìn)制，同時(shí)人們從中得到啟發(fā)，發(fā)明小型的供個(gè)人使用的計(jì)算機(jī)將會(huì)成為未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向之一。采用晶體管作為主要部件的計(jì)算機(jī)被成為“第二代電子計(jì)算機(jī)”，并在隨后的時(shí)期被廣泛地運(yùn)用，同時(shí)為以后的發(fā)展提供了契機(jī)。

（二）集成電路與PC機(jī)時(shí)代的到來

通過在發(fā)明晶體管計(jì)算機(jī)中的啟發(fā)，通過當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)人們已經(jīng)能夠?qū)⒕w管、二極管和電阻等一些元部件和電路連線在一塊集成電路板上，與普通的電子電路相比，集成電路具有體積小、重量輕、易攜帶、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，而且其可靠性也在逐步提高。后來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到集成電路的好處，并將集成電路運(yùn)用到電子計(jì)算機(jī)的技術(shù)中來，同時(shí)將集成電路進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，不僅促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，而且使得計(jì)算機(jī)的成本降低，為未來計(jì)算機(jī)的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。

集成電路的發(fā)展不僅推動(dòng)了電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而且為PC時(shí)代的到來開辟了道路，隨著集成電路被廣泛的應(yīng)用到電子計(jì)算機(jī)中，IBM公司首先建立了自己的集成電路工廠，并且在不斷的摸索中，終于制造出了以集成電路為基礎(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)，從而使得計(jì)算機(jī)的發(fā)展到了第三時(shí)期。

（三）微處理芯片與英特爾系列

微處理器與集成電路和晶體管并稱為計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的三大發(fā)明，可見微處理器對(duì)于計(jì)算機(jī)發(fā)展的推動(dòng)力是不可或缺的，這三項(xiàng)發(fā)明分別使得電子計(jì)算機(jī)進(jìn)入了新的時(shí)代。

當(dāng)時(shí)微處理器的發(fā)明人員認(rèn)為可以將復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)方案更加簡潔化，在這一啟發(fā)下，計(jì)算機(jī)的芯片主要是由只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取器和輸入輸出接口和中央處理器組成，在這一結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，研發(fā)人員開始投入到微處理器的試運(yùn)行過程中。

微處理器最終成功地研發(fā)并投入生產(chǎn)，使得整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)向著更加微型化的方向發(fā)展，尤其是在PC機(jī)領(lǐng)域，微處理器的產(chǎn)生，使得很多設(shè)想成為可能。

二、影響現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的科學(xué)技術(shù)因素

科學(xué)家認(rèn)為，電子計(jì)算機(jī)的集成度已經(jīng)到達(dá)一個(gè)瓶頸時(shí)期，在集成電路板上如果再放置具有更強(qiáng)計(jì)算能力的部件，容易使得芯片散熱不好，從而影響計(jì)算機(jī)的使用壽命。但是，人們對(duì)于電子計(jì)算機(jī)的要求卻在不斷提高，這一矛盾就導(dǎo)致了科學(xué)家開始尋找其他的路徑來不斷推進(jìn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新，主要包括以下幾點(diǎn)：

（一）人工智能技術(shù)的發(fā)展

隨著計(jì)算機(jī)功能和計(jì)算性能的進(jìn)一步提高，人們開始思考能否讓計(jì)算機(jī)模擬人類的思考和解決問題的模式，從而變得更加智能化，使得能夠進(jìn)一步解放人類勞動(dòng)。目前為止，計(jì)算機(jī)技術(shù)在人工智能的領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大的成就，例如：一些專家系統(tǒng)已經(jīng)能夠利用已有的知識(shí)幫助人們解決問題，另外一些語音識(shí)別技術(shù)能夠解放人們的雙手，通過聲音的錄入就能夠生成文字等等，這些技術(shù)雖然能夠在一定程度上，使得電子計(jì)算機(jī)模擬人腦的行為，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法跟人類的智能相媲美，因此在人工智能的道路上，我們還需要更多的研究和突破。

（二）量子力學(xué)的研究推動(dòng)著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的綜合性應(yīng)用的計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)一個(gè)瓶頸時(shí)期的時(shí)候，人們開始探索能否將計(jì)算機(jī)向著專用的方向發(fā)展，例如：人們可以利用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行量子計(jì)算，但是從傳統(tǒng)的綜合性應(yīng)用的計(jì)算機(jī)到量子計(jì)算機(jī)的改造是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，這一過程中必須要攻克以下幾個(gè)難題，例如：去相干的問題和糾錯(cuò)的問題等等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了量子計(jì)算機(jī)并且使得它的應(yīng)用走向成熟，目前，對(duì)于量子力學(xué)的不斷研究為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為未來電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的新方向。

（三）光學(xué)為光子計(jì)算機(jī)的研究提供可能

光學(xué)的概念來自于愛因斯坦對(duì)于光學(xué)的研究，他在研究中發(fā)現(xiàn)與電子相比，光具有以下特點(diǎn)：光子的分辨率比較高；光子的速度更加快；光子的這些特點(diǎn)使得其未來具有更廣闊的應(yīng)用前景。而對(duì)于光學(xué)的研究，例如：激光、光纖、光存儲(chǔ)和光顯示等等，以及光學(xué)與光電子學(xué)的結(jié)合，標(biāo)志著現(xiàn)代光學(xué)的誕生，這些技術(shù)的發(fā)展都有力地推動(dòng)了光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

作為一種全新的計(jì)算機(jī)，光子計(jì)算機(jī)是以光子作為信息的載體，而且能夠進(jìn)行光運(yùn)算的新型計(jì)算機(jī)；在光學(xué)研究的基礎(chǔ)上，目前光子計(jì)算機(jī)能夠“與”、“或”、“非”三種基本的運(yùn)算，同時(shí)還支持加法的運(yùn)算等等，雖然目前光子計(jì)算機(jī)還沒有正式的誕生，但是人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識(shí)到其優(yōu)勢，也成為計(jì)算機(jī)未來發(fā)展的方向之一。

（四）DNA分子邏輯門奠定了DNA計(jì)算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)

DNA計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與分子生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，從此計(jì)算機(jī)的發(fā)展又開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。DNA分子具有較高的存儲(chǔ)能力和強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，所以DNA計(jì)算能夠解決一些復(fù)雜的問題。DNA計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)能夠使得計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場合進(jìn)入到人體內(nèi)甚至細(xì)胞內(nèi)，可以作為一種監(jiān)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)DNA的變化等等，而且還能夠合成一些藥物，用來治療人體的疑難雜癥等等，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是，目前DNA計(jì)算機(jī)的還處于研究過程中，完成對(duì)其真正的應(yīng)用尚需時(shí)日。

（五）納米技術(shù)的出現(xiàn)使得納米計(jì)算機(jī)成為研究熱潮

隨著國際上對(duì)于納米技術(shù)的研究，一些納米材料正式誕生，使得全世界投入到了一股研究納米技術(shù)的熱潮中。同樣，人們開始思考利用納米計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一些更加強(qiáng)大的功能，例如：可以利用納米技術(shù)制作一些縮微計(jì)算機(jī)元件，而且這種納米計(jì)算機(jī)一旦研究成功就有可能消耗很少的資源，在性能上也將獲得更大的提高。目前，建造一個(gè)芯片生產(chǎn)工廠耗資巨大，使得很多廠商都不堪重負(fù)，但是如果利用納米技術(shù)來制造和生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的芯片，工廠的占地面積和所需資源等等都將大大降低。

三、影響現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的社會(huì)因素

通過以上的分析和論述可知，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程中，很多技術(shù)的研究為計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展提供了契機(jī)，使得現(xiàn)代計(jì)算機(jī)朝著很多方向進(jìn)行發(fā)展。但是，影響現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止科學(xué)技術(shù)因素，還與社會(huì)因素密不可分，影響現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的社會(huì)因素主要有以下幾點(diǎn)：

（一）國家需求對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展要求

隨著目前世界上各個(gè)國家都處速發(fā)展時(shí)期，一些工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)和計(jì)算復(fù)雜程度逐步增加，采用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)無法滿足這些需求。因此，必須要對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。例如：目前的加密技術(shù)正在逐步提高，密文在目前的計(jì)算量來講是無法破譯的，但是隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的提高，運(yùn)算速度的加快等等，密碼必須進(jìn)行更嚴(yán)密的運(yùn)算，這就需要超級(jí)計(jì)算機(jī)來進(jìn)行。超級(jí)計(jì)算機(jī)能夠使得運(yùn)算速度得到很大提高，可以在國防安全和信息安全等方面起著重要的作用。

（二）人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的需求也是創(chuàng)新因素之一

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)被普遍地推廣和應(yīng)用，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的需求也在不斷上升，這也成為計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的重要因素之一，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一，體積微型化，為了能夠打破時(shí)間和空間對(duì)于計(jì)算機(jī)使用的限制，人們需要一種能夠便于攜帶的、體積更小、續(xù)航能力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，這就促使著計(jì)算機(jī)技術(shù)向著更加完善的方向發(fā)展；第二，功能全面化，人們對(duì)于計(jì)算機(jī)的需求也向著功能更加全面的方向發(fā)展，希望能夠利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作、學(xué)習(xí)和娛樂等等，所以現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)也正在向著功能更加全面的方向發(fā)展著。

四、面對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的幾點(diǎn)建議

人們的生活每時(shí)每刻都在變動(dòng)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新也無時(shí)無刻不在發(fā)展，面對(duì)日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新，主要有以下幾點(diǎn)建議：

第一，準(zhǔn)確把握需求，一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生肯定有一定的需求因素為推動(dòng)力，明確需求才能更好地研究出符合相關(guān)需求的計(jì)算機(jī)技術(shù)。

第二，計(jì)算機(jī)技術(shù)有著眾多的研究領(lǐng)域，每個(gè)研究領(lǐng)域都可能為計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新提供啟發(fā)，所以在通用計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上研究一些針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)也非常重要，從而能夠更好地促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新。

第三，計(jì)算機(jī)在給人們帶來方便的同時(shí)，也存在著很多隱患，例如：病毒、網(wǎng)絡(luò)攻擊、信息竊取和輻射等問題，不僅影響著人們的健康，而且還威脅著國家的安全，因此我們?cè)谥铝τ谟?jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新過程中，也需要考慮計(jì)算機(jī)帶來的負(fù)面影響。

第四，信息時(shí)代的到來，為計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了另一個(gè)契機(jī)，隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到信息的重要性，人們開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溝通和交流，所以計(jì)算機(jī)的攜帶、功耗、續(xù)航以及成本等問題也成為計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新過程中需要考慮的重要因素。

第五，由于目前計(jì)算機(jī)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，所以計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不僅僅需要本領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)的支持，而且還需要其他領(lǐng)域知識(shí)的配合，在此過程中需要研發(fā)和技術(shù)人員對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)有著深入的了解，才能夠真正制造出跨領(lǐng)域發(fā)展的計(jì)算機(jī)。

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第5篇：集成電路研究方向范文

硅通孔技術(shù)（TSV）是三維集成電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一，本文從其制備、應(yīng)用于系統(tǒng)中的性能參數(shù)及其意義、具體設(shè)計(jì)主要思路三個(gè)方面，對(duì)TSV在三維集成電路設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)概況進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】硅通孔技術(shù) 三維集成電路 設(shè)計(jì)原則

三維集成電路是指多層面構(gòu)建集成電路，可進(jìn)一步擴(kuò)展布局空間，減少線路相互之間的干擾，解決信號(hào)擁堵問題，擴(kuò)大頻寬，降低功耗，最終提高系統(tǒng)性能。3D封裝是三維集成電路關(guān)鍵技術(shù)，主要包括裸片堆疊封裝、疊層封裝與封裝內(nèi)堆疊三種具體實(shí)現(xiàn)形式，各有優(yōu)劣。貫穿硅通孔技術(shù)（TSV）是一種系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)層級(jí)間裸片互聯(lián)，是目前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)方式之一。本次研究就基于硅通孔技術(shù)的三維集成電路基本設(shè)計(jì)進(jìn)行概述與分析。

1 TSV制備

TSV制備工藝據(jù)通孔制作工藝順序可分為先通孔與后通孔兩種，先通孔是指在制備IC時(shí)同時(shí)通孔，后者是指在制備IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工藝在CMOS或BEOL制備前應(yīng)用；（2）在元件設(shè)計(jì)階段即介入應(yīng)用；（3）需嚴(yán)格的CD控制；（4）通孔寬度為5-20μm；（5）深寬比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征為：（1）工藝在BEOL或TSV鍵合（Bonding）制備后應(yīng)用；（2）在設(shè)計(jì)階段后期介入；（3）CD控制較寬松；（4）通孔寬度20-50μm；（5）深寬比AR3：1-15：1。

通孔刻蝕技術(shù)是TSV技術(shù)的核心，強(qiáng)調(diào)通孔尺寸一致性，無殘?jiān)纬尚柽_(dá)到一定速度，規(guī)格設(shè)計(jì)具有一定靈活性，目前僅有IBM及其部分代工廠掌握該核心技術(shù)。通孔刻蝕技術(shù)主要可分為博世工藝技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)，兩者各有優(yōu)劣。博士工藝孔徑大小、數(shù)目、深度無特殊要求，但孔徑側(cè)面較粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蝕僅適用于>10μm孔徑通孔，孔徑數(shù)目也受吞吐量影響，但通孔側(cè)壁表明光滑，耗材低，無需光刻。

通孔后，TSV需進(jìn)行填充，涉及通孔絕緣、淀積與電鍍多個(gè)工藝步驟，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充時(shí)需要考慮填充絕緣、沉積溫度等多個(gè)方面因素，一個(gè)細(xì)節(jié)的疏忽都可能影響通孔性能，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性與功效。目前，主要填充技術(shù)包括濺射沉積、均勻淀積，但考慮到成本因素，電鍍銅是目前應(yīng)用最廣泛的硅通孔填充方式。

最后為實(shí)現(xiàn)晶體TSV互聯(lián)，需應(yīng)用TSV鍵合技術(shù)，目前最常用的鍵合技術(shù)包括金屬-金屬鍵合、氧化物共熔鍵合與高分子黏結(jié)鍵合。三種鍵合技術(shù)各有優(yōu)劣，應(yīng)用均十分廣泛，但均只適用于滿足電學(xué)特性的光滑鍵合表面，不能進(jìn)行機(jī)械表面與電學(xué)特性表面鍵合，金屬-金屬鍵合有望打破這種限制。

2 反映TSV性能的參數(shù)及其意義

2.1 互聯(lián)延時(shí)

全局互聯(lián)普遍被認(rèn)為是集成系統(tǒng)性能提升的設(shè)計(jì)瓶頸，全局互聯(lián)產(chǎn)生的連線延時(shí)決定系統(tǒng)時(shí)鐘頻率與速度傳輸限，創(chuàng)造一種更有效的互聯(lián)策略已成為當(dāng)今電路設(shè)計(jì)中研究熱點(diǎn)。緩沖器插入式目前應(yīng)用最廣泛的一種縮短全局互聯(lián)延時(shí)的設(shè)計(jì)，使用靈活，有助于減少硅通孔數(shù)目與集成密度，進(jìn)而降低互聯(lián)延時(shí)效應(yīng)，提高系統(tǒng)性能，降低誤差。

2.2 互聯(lián)功耗

互聯(lián)功耗與系統(tǒng)電路規(guī)模與集成密度有關(guān)，目前，互聯(lián)電容已取代門電路成為片上功耗與動(dòng)態(tài)功耗主導(dǎo)因素，插入緩沖器后功耗與全局互聯(lián)規(guī)模有關(guān)。應(yīng)用硅通孔三維互聯(lián)構(gòu)架，可減少互聯(lián)需要，但卻需要更多的緩沖器，增加片上功耗，在設(shè)計(jì)PSV時(shí)，需充分考慮PSV功耗。

3 TSV三維集成具體設(shè)計(jì)主要思路

3.1 阻抗特性差異

三維集成雖然可緩解不同材料、工藝差異所產(chǎn)生的串?dāng)_噪聲，降低混合技術(shù)同化復(fù)雜度與電路模塊電磁干擾，最終降低成本，提高效效能，但與此同時(shí)，三維設(shè)計(jì)也增加了阻抗差異。阻抗差異后是源層互聯(lián)固有缺陷，應(yīng)用TSV技術(shù)互聯(lián)則增加了阻抗差異，進(jìn)一步放大了這種缺陷。因此將TSV應(yīng)用三維集成系統(tǒng)構(gòu)架中，需綜合考慮阻抗差異，盡力減少阻抗差異對(duì)互聯(lián)信號(hào)的影響，避免信號(hào)發(fā)生反射或失真。

3.2 熱管理與優(yōu)化

電路工作之中不可避免的發(fā)散熱量，熱效應(yīng)已成為影響集成電路功效、元件可靠性的重要因素之一。三維集成技術(shù)增加了芯片物理層數(shù)，頂端物理層與散熱片距離顯著增加；三維集成技術(shù)縮短了物理尺寸，芯片功耗密度顯著增加，熱效應(yīng)增加，芯片內(nèi)溫度上升，可能造成元件性能下降，電遷移失敗，甚至可能造成物理損毀。應(yīng)用TSV技術(shù)，可能影響整個(gè)芯片熱擴(kuò)散效果、途徑，因此在設(shè)計(jì)TSV系統(tǒng)構(gòu)架時(shí)，需對(duì)熱擴(kuò)散進(jìn)行預(yù)測，分析芯片內(nèi)外溫度分布，并提出熱優(yōu)化技術(shù)與策略，降低消熱阻。目前常采用的熱優(yōu)化技術(shù)策略為減薄襯底厚度，降低散熱片等效熱阻，熱驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，布局優(yōu)化，熱通孔插入，等。

4 碳納米管TSV設(shè)計(jì)

碳納米管具有優(yōu)良的電熱傳輸特性，平均自由程較長，耐高溫，是一種較理想的互聯(lián)材料，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。碳納米管電流承載密度極限遠(yuǎn)高于銅，電子遷移穩(wěn)定，有助于克服承載不穩(wěn)定性TSV技術(shù)這一固有缺陷。碳納米管具有一維導(dǎo)體特性，熱特性較高，熱傳導(dǎo)率極高，可達(dá)到3000～8000W/m-K，將碳納米管應(yīng)用于TSV集成可極大的提高系統(tǒng)散熱能力。

5 小結(jié)

硅通孔技術(shù)是三維集成電路制造核心技術(shù)之一，其技術(shù)水平直接影響系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性。電路設(shè)計(jì)工作者，在應(yīng)用TSV技術(shù)過程中，應(yīng)盡量采用時(shí)下成熟的TSV制備技術(shù)，把握具體設(shè)計(jì)思路，從提升系統(tǒng)整體性能出發(fā)，提升設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，應(yīng)具有創(chuàng)新、探索精神，積極嘗試引入新材料、技術(shù)與理念，大膽嘗試，開闊設(shè)計(jì)思路，以探索更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

祝竹（1983-），女，安徽省宣城市人。2006年畢業(yè)于合肥學(xué)院，電子信息工程專業(yè)?，F(xiàn)為宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院電工與電子技術(shù)專業(yè)教師。研究方向?yàn)殡姽ぜ夹g(shù)與汽車電子類。

第6篇：集成電路研究方向范文

【關(guān)鍵詞】電視機(jī)；故障；檢修

1.引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電視機(jī)、手機(jī)等電子產(chǎn)品與我們生活息息相關(guān)。本文以電視機(jī)為例，分析電子產(chǎn)品常見故障檢修方法，通過案例講解，介紹了電視機(jī)常見故障排除方法。

2.電視機(jī)常見故障現(xiàn)象

（1）開機(jī)后或使用時(shí)，聽到“啪啪”的響聲，甚至有臭味，此時(shí)如不立即關(guān)機(jī)，則有可能損壞元件或使顯像管炸裂。這是電視機(jī)高壓部分在打火，使空氣的氧氣在電火花作用下生成少許臭氧。

（2）使用過程中電視機(jī)突然冒煙或有焦煙味，嚴(yán)重出現(xiàn)明火應(yīng)立即切斷電源，清除周圍可然物品，用細(xì)沙或濕棉被，毛毯等紡織物包住電視機(jī)，以隔絕空氣流通，撲滅火苗，同時(shí)防止因燃燒而引起顯像管爆炸傷人。但嚴(yán)禁用水滅火，以免顯像管驟冷爆裂。

（3）電視機(jī)亮度突然變暗，整幅畫面縮小，這是電源故障所致，要及時(shí)關(guān)機(jī)，以免故障擴(kuò)大。

（4）開機(jī)后，屏幕上出現(xiàn)不規(guī)則的黑點(diǎn)或黑線，較長時(shí)間地跳動(dòng)，可將頻道選擇鈕撥到空擋觀察，如仍不消失，應(yīng)立即關(guān)機(jī)。

3.故障分析步驟

（1）切斷電源，打開電視機(jī)后蓋，切勿碰高壓嘴部分，從電源線開始檢查，觀察整體電路，看看有沒有異常現(xiàn)象，比如電阻燒斷或電路板線條燒斷等現(xiàn)象；

（2）若無明顯外部故障，通電，根據(jù)電視機(jī)的光、像、色、聲幾方面的情況，確認(rèn)故障現(xiàn)象，從故障現(xiàn)象推斷故障所在的范圍；

（3）通過檢查和分析確定故障部位；

（4）運(yùn)用各種測試手段發(fā)現(xiàn)故障元件；

（5）用合格的元件更換故障元件或進(jìn)行必要的調(diào)整來排除故障。

圖1-1 故障檢修流程圖

4.故障分析過程注意事項(xiàng)

（1）集成電路（IC）的引腳間距很小，測量時(shí)表棒容易發(fā)生短路，造成意外的損壞。在此特別提醒：檢測時(shí)，一是建議采用單手操作；二是不宜直接測集成塊引腳本身，而應(yīng)測引腳外延的焊盤；三是表筆不宜過于傾斜，以防止短路；四是嚴(yán)禁帶電測電阻和焊接元件。

（2）在拆除顯像管高壓帽之前，-定要對(duì)顯像管的陽極殘留電壓進(jìn)行放電。放電方法：關(guān)機(jī)后將顯像管高壓嘴串一個(gè)10k（2W）電阻，對(duì)顯像管玻璃外殼進(jìn)行多次放電。放電時(shí)，應(yīng)對(duì)顯像管地線放電，切不可在機(jī)內(nèi)地線上打火放電，更不能用打火法來試驗(yàn)有無高壓；否則，會(huì)引起集成電路（特別是解碼集成塊）的損壞。

（3）在發(fā)現(xiàn)開機(jī)斷保險(xiǎn)絲時(shí)，未經(jīng)查明原因，不急于換上保險(xiǎn)絲通電（特別不能用比原來規(guī)格大的保險(xiǎn)絲或金屬絲替代），否則，可能會(huì)使尚未損壞的元件（如電源調(diào)整管、行輸出管、基色輸出管等）燒壞。如果不通電無法發(fā)現(xiàn)故障，可用規(guī)格相同的保險(xiǎn)絲換上去再試一下，此刻要掌握時(shí)機(jī)，觀察故障現(xiàn)象。最好先切斷電視機(jī)穩(wěn)壓電源的負(fù)載，然后檢查穩(wěn)壓電源。

（4）將底板平放在桌面時(shí)，要預(yù)先檢查底板下面是否有金屬物，以防止開機(jī)時(shí)時(shí)造成短路。不要帶電移動(dòng)電路板。

（5）當(dāng)掃描電路不正常，屏幕上呈現(xiàn)一條水平亮線或垂直亮線時(shí)，應(yīng)將亮度關(guān)小后再進(jìn)行檢查，以免燒傷屏幕。

（6）檢修時(shí)，不可盲目調(diào)試機(jī)內(nèi)可調(diào)元件（如磁心、磁帽、可變電阻、電位器等），否則，會(huì)使那些本來無故障的電路工作失常。

（7）在通電檢查時(shí)，如發(fā)現(xiàn)冒煙、打火、焦臭味、異常過熱等現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)機(jī)檢查。

5.更換元件注意事項(xiàng)

（1）集成電路的更換

集成電路損壞后，一定要用同型號(hào)的更換。更換集成塊時(shí)，務(wù)必確定正確的插入方向，切不可將管腳插錯(cuò)，必須在關(guān)閉電源之后進(jìn)行，拆裝集成電路時(shí)，烙鐵外殼不可帶電以免損壞集成電路。

（2）晶體管的更換

更換晶體管最好用相同型號(hào)的管子，或者用晶體管對(duì)換表中所列功能相同的管子（但要注意管腳排列是否相同）。對(duì)于低頻管，其耐壓和β值應(yīng)符合要求。對(duì)于高頻管，其耐壓和fT值應(yīng)符合要求：對(duì)于功率管，其耐壓和功耗應(yīng)符合要求；在更換中還要檢查絕緣用的云母薄片有無裂損，替換后再用萬用表檢查絕緣情況。

（3）線圈、變壓器的更換

因?yàn)楦鞣N電視機(jī)所用線圈、變壓器多數(shù)不盡相同，所以更換時(shí)應(yīng)用與原機(jī)相同規(guī)格的線圈或變壓器。但換上同規(guī)格的線圈、變壓器后，需作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。若無成品更換而需自行制作時(shí)，則應(yīng)該用同樣線徑，同樣長度的導(dǎo)線（有時(shí)就可用原來的導(dǎo)線），按同樣的工藝?yán)@制和處理，以確保電感量相同，絕緣性能良好。應(yīng)特別注意其引出頭位置應(yīng)與原來相同。

（4）彩色顯像管的更換

彩色電視機(jī)通常采用自會(huì)聚彩色顯像管，其偏轉(zhuǎn)線圈是由廠家配套供應(yīng)的，并已事先調(diào)整到最佳狀態(tài)。顯像管衰老或損壞了，需用同規(guī)格的顯像管連同偏轉(zhuǎn)線圈一起更換。如果只更換顯像管，則更換后需要進(jìn)行色純度與會(huì)聚的嚴(yán)格校正。

6.檢修實(shí)例

（1）無光柵、無伴音、無彩色檢修

此故障一般是電源電路或行輸出電路有故障所致。檢修時(shí)，首先應(yīng)檢查機(jī)內(nèi)兩只熔斷器是否熔斷（可只觀檢查或用萬用表R1×1Ω擋測量）。0.5A熔斷器串接在電源變壓器的一次（初級(jí)）回路中，也可以在不打開電視機(jī)外殼的情況下，測出電源變壓器一次回路是否開路。其方法是：將萬用表至于R×10Ω擋，兩只表筆分別接電源插頭的兩端，然后接通電源的開關(guān)，正常時(shí)能測出幾百歐姆的電阻值，若測得阻值為無窮大，則是0.5A熔斷器熔斷、電源變壓器一次繞組開路、電源線斷線或電源開關(guān)損壞。

若0.5A熔斷器熔斷，則應(yīng)檢查電源變壓器是否燒毀、整流器是否擊穿。若電源變壓器和整流器件正常，則是市電電壓不穩(wěn)定（瞬間偏高）所致。若2A熔斷器熔斷，則是電源穩(wěn)壓調(diào)整電路或負(fù)載電路有短路故障，應(yīng)檢查是行輸出管、行輸出變壓器等負(fù)載電路短路還是行頻偏移使行掃描工作電流增大。

若熔斷器完好，則應(yīng)測量穩(wěn)壓電源的+12V輸出電壓是否正常。若+12V電壓為0V，則是電源調(diào)整管或復(fù)合放大管開路、復(fù)合放大管基極的偏置電阻器開路、穩(wěn)壓二極管擊穿損壞等。若+12V電壓偏低，僅有3V～5V，則是整流電路或穩(wěn)壓電路中有元器件損壞。

圖1-2 “三無”故障檢修流程圖

（2）有圖像、有伴音、無彩色故障檢修

有圖像、有伴音，表明信號(hào)通道中自高頻頭至中放部分是正常的，當(dāng)然電源電路、伴音電路和掃描系統(tǒng)也是正常的。如果圖像質(zhì)量和伴音質(zhì)量都較差，無彩色的故障還有可能在公共通道（如天線接觸不良或通道增益下降等），如果圖像和伴音質(zhì)量均較好，故障范圍可以鎖定在解碼電路或色度控制電路。

圖1-3 有圖像、有伴音、無彩色檢修流程圖

（3）無光柵、無圖像、有伴音故障檢修

圖1-4 無光柵、無圖像、有伴音故障檢修流程圖

有伴音，表明公共通道和電源電路正常。根據(jù)本機(jī)開關(guān)電源是采用行逆程脈沖反饋鎖定振蕩頻率的特點(diǎn)，可以基本判定行掃描電路也正常。

7.結(jié)束語

本文是作者長期維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，僅供初學(xué)者和電子愛好者參考。

參考文獻(xiàn)

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第7篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞：ARM；超聲波；傳感器；語音報(bào)警

中圖分類號(hào)：TN959.7

在空氣介質(zhì)中，超聲波傳感器因其性能好，價(jià)格低廉、使用方便，在車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)中都有應(yīng)用。倒車?yán)走_(dá)是一種汽車泊車安全輔助裝置，該裝置能以聲音或距離顯示等直觀方式來提示駕駛員周圍的障礙物情況，方便駕駛員泊車和車輛的起停，并且?guī)椭{駛員克服視野死角和視線模糊的缺陷，從而提高了駕駛的安全性[1]。

目前，國內(nèi)外都在研究如何利用汽車避撞技術(shù)來輔助汽車駕駛員對(duì)影響駕駛的人、車、路況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)危機(jī)情況時(shí)，該系統(tǒng)將自動(dòng)干涉駕駛員操作，輔助駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免汽車碰撞事故的發(fā)生。倒車?yán)走_(dá)報(bào)警系統(tǒng)可以降低倒車難度，避免駕駛員因?yàn)榉较蚋胁粡?qiáng)，而引起的事故，同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)提高汽車智能化和最終實(shí)現(xiàn)汽車無人駕駛也有積極地意義[2]。

本文主要介紹了一種基于ARM的超聲波倒車?yán)走_(dá)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，具有高精度、微型化、并且有LCD顯示和語音報(bào)警功能的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

2.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

圖2為超聲波發(fā)射電路的電路圖，STM32F103VB的PD10端口輸出40ms脈沖波，該脈沖波經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)行升壓和脈寬控制，從而輸出周期為40ms，高電平寬度為160μs的方波。555振蕩器的置位脈沖就是該脈沖信號(hào)。超聲波發(fā)射電路主體是由555時(shí)基電路及元件構(gòu)成的40kHz多諧振蕩電路，利用555定時(shí)產(chǎn)生40kHz的振蕩信號(hào)，然后由超生波發(fā)射器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成超聲波信號(hào)發(fā)射出七個(gè)脈沖串。超聲波在傳播過程中遇到反射物，反射物將超聲波反射到接收器，所以由式（1）可知，超聲波傳送的距離是測量距離的2倍。

2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路采用集成芯片CX20106搭建，如圖3所示。CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，通常于電視機(jī)紅外遙控接收器。因?yàn)榧t外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，所以可以利用它制作超聲波檢測接收電路。CX20106接收超生波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。為了改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力，可以調(diào)整電容C，當(dāng)無信號(hào)時(shí)，輸出高電平，當(dāng)接收到回波信號(hào)后跳變?yōu)榈碗娖健?/p>

2.3 語音提示電路

語音提示電路采用的是WT588D語音芯片，該款芯片是一款語音單片機(jī)芯片，其功能強(qiáng)大，并且可重復(fù)擦除燒寫的。同時(shí)具有功能多，音質(zhì)好，應(yīng)用范圍廣，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，軟件界面操作簡潔易懂，并且撮合了語音組合技術(shù)，這樣就減少了語音的編輯時(shí)間。該芯片具有按鍵控制模式、MP3控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式、按鍵組合控制模式、I/O口擴(kuò)展輸出模式。有220個(gè)可控制的語音地址，每個(gè)地址位里可以加載128段語音，只需要通過訪問地址就可實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)，語音提示電路如圖4所示。圖中穩(wěn)壓芯片KIA1117為WT588D提供3.3V電壓。本系統(tǒng)將語音分成10段錄入WT588D語音芯片中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

初始化語音播放模塊，給超聲波發(fā)送10微秒高電平啟動(dòng)信號(hào)，開啟超聲波測距功能，計(jì)數(shù)器1清零，等待超聲波測量回波脈沖上升沿開啟計(jì)數(shù)器1，等待超聲波測量回波脈沖下降沿關(guān)閉計(jì)數(shù)器1，用計(jì)數(shù)值計(jì)算出距離，判斷是否處于0到4米的距離內(nèi)（根據(jù)傳感器選取的測量范圍），并語音播報(bào)每次檢測到的距離，如果超出范圍播報(bào)“超出測量范圍”，判斷是否小于最小安全距離20厘米（注意：該數(shù)字可自行更改設(shè)定），如果小于最小安全距離語音警告5次“危險(xiǎn)距離”。判斷執(zhí)行完畢后，再次重新開啟超聲波傳感器進(jìn)行測量。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)利用超聲波在空氣中的傳播性，可以實(shí)時(shí)獲得超聲波在空氣中的傳播速度和傳播時(shí)間，然后利用距離等于時(shí)間和速度相乘的原理，設(shè)計(jì)了一款基于ARM的超聲波倒車?yán)走_(dá)報(bào)警系統(tǒng)，通過語音播報(bào)和LCD顯示實(shí)時(shí)測得的汽車尾部與障礙物的距離來提醒司機(jī)。實(shí)際使用證明，本倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可提高車輛運(yùn)行的安全性。而且具有良好的性價(jià)比，因而具有較高的推廣價(jià)值。

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作者簡介：謝星（1985-），男，助理工程師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)；孫玲（1976-），女，副教授，博士，研究方向：高頻集成電路設(shè)計(jì)；曹海平（1972-），男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)室，碩士，研究方向：電氣控制、嵌入式系統(tǒng)；楊玲玲（1987-），女，助教，碩士，研究方向：集成電路封裝、信號(hào)完整性、單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)。

第8篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞 ：鎖相環(huán)；本振；壓控振蕩器；頻率調(diào)諧；分頻比

Analysis and Design of RF Signal digital Tuning System Based

on a PLL Technology

Abstract: The paper is based on Phase-Locked Loops technology with the analysis to Local Oscillator tuning of RF signal digital receiver. A method for BICMOS digital frequency tuning circuit with very low power dissipation is presented. The theory of the tuning system is demonstrated in detail, on its circuits and curves and data of simulation. The circuit adopts a programmable divider to decide a divide ratio which is needed. Consequently, the Phase-Locked Loops system will be locked on a concerned frequency. Accordingly, the Voltage Controlled Oscillator is operated to give a Local Oscillation frequency within a closed loop by a frequency divider, phase detector and a charge pump.

Key words: Phase-Locked Loops; Local Oscillator; Voltage Controlled Oscillator; frequency tuning; divide ratio

1引言

頻率調(diào)諧系統(tǒng)作為信號(hào)接收機(jī)對(duì)信號(hào)篩選過程中重要的一部分，在便攜式通信電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,。本文是基于PLL技術(shù)，分析設(shè)計(jì)射頻信號(hào)接收機(jī)中的數(shù)字調(diào)諧部分。PLL的基本作用是把時(shí)鐘頻率調(diào)制到所需的頻率上，并使這個(gè)頻率鎖定以達(dá)到穩(wěn)定的輸出。本篇文章分析的重點(diǎn)是在調(diào)諧系統(tǒng)內(nèi)部，通過PLL控制外部振蕩器的頻率；難點(diǎn)是數(shù)字調(diào)諧部分中的可編程分頻器，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算分頻比的理論值，然后推算分頻器輸入到輸出的算法函數(shù)，根據(jù)算法函數(shù)設(shè)計(jì)出電路。

2電路的原理與技術(shù)分析

2.1 電路工作原理

如圖1所示，射頻信號(hào)接收機(jī)數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)由壓控振蕩器（VCO），數(shù)字調(diào)諧部分和一個(gè)二分頻器組成，而VCO與數(shù)字調(diào)諧部分又組成了鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)鎖相環(huán)理論來設(shè)計(jì)電路。整個(gè)數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，VCO輸出的振蕩頻率經(jīng)過可編程分頻器處理，與外部晶振提供的基準(zhǔn)參考頻率一同送入鑒頻鑒相器進(jìn)行比較。出于對(duì)功耗的考慮，本文選用32.768KHz晶體振蕩電路設(shè)計(jì)，作為頻率調(diào)諧系統(tǒng)的參考頻率。

鑒頻鑒相器輸出驅(qū)動(dòng)電荷泵，通過環(huán)路濾波器向壓控振蕩器提供調(diào)諧電流，用以調(diào)整變?nèi)荻O管的電容值，修正壓控振蕩器輸出頻率。當(dāng)可編程分頻器輸出頻率與參考頻率完全一致時(shí)，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，使壓控振蕩器輸出頻率固定，最終得到的頻率再經(jīng)2分頻電路送入混頻器。本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)不同時(shí)間常數(shù)的濾波器，在第一個(gè)階段，環(huán)路必須快速響應(yīng)，但后一個(gè)環(huán)路要有窄的帶寬來限制噪聲以達(dá)到好的信噪比。

2.2 壓控振蕩器

振蕩器就是在直流電源供電的情況下，產(chǎn)生周期性變化的電壓信號(hào)的電路。任何振蕩器都可看作是一個(gè)在振蕩頻率處呈正反饋的環(huán)路。如圖所示，Ha（w）為前向電路的傳輸函數(shù)，Hf（w）為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)。振蕩器的起振條件為T（w）=Hf（w）Ha（w）>1

2.2.1負(fù)阻特性振蕩器

本文中壓控振蕩器使用負(fù)阻LC振蕩器結(jié)構(gòu)。負(fù)阻LC振蕩器可看作是一個(gè)能量補(bǔ)償系統(tǒng)?？蓪⒄袷幤骺醋饕粋€(gè)LC諧振回路與呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源電路相接。使振蕩器獲得穩(wěn)定輸出，

阻抗匹配分析法常用于負(fù)阻LC振蕩器。當(dāng)信號(hào)源所驅(qū)動(dòng)電路的輸入阻抗和信號(hào)源阻抗共軛時(shí)，從信號(hào)源吸收的功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)達(dá)到了輸入阻抗匹配條件；同理，只有當(dāng)電路的輸出阻抗與該電路的負(fù)載阻抗共軛時(shí)，負(fù)載從電路吸收的功率才能最大，電路達(dá)到了輸出阻抗匹配條件。

如圖4，VG為信號(hào)源電壓，ZS為信號(hào)源阻抗，ZIN為信號(hào)源所驅(qū)動(dòng)電路的輸入阻抗。ZS＝RS+jXS, ZIN＝ZS*是阻抗匹配的條件。負(fù)阻LC振蕩器是把一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件（或電路）直接與LC諧振回路相接，以產(chǎn)的關(guān)系如下所示。

A、當(dāng)Rn>Rp時(shí)，振蕩器輸出呈現(xiàn)衰減振蕩，如圖6所示。

B、當(dāng)rn

C、當(dāng)rn=Rp時(shí)，振蕩器輸出呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖8所示。

2.2.省略 v（vcotank2） va

.plot ac zin（r） zin（i） zin（m） zin（p）

.ac dec 1000 1meg 1000meg

仿真的結(jié)果波形為：

通過變?nèi)荻O管，調(diào)整回路的品質(zhì)因子，來改進(jìn)振蕩器的性能。主要是分析外部LC部分負(fù)載阻抗與差分電路部分輸出阻抗的阻抗匹配。圖11為本設(shè)計(jì)VCO諧振回路的電路。諧振部分以外的電路是為了提高穩(wěn)定性而采取的濾波電路。

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2.2.3跨導(dǎo)與阻抗的匹配

Rp是諧振回路的等效阻抗，電感Lp的作用是給差分結(jié)構(gòu)晶體管提供偏置電流。為了保證振蕩，使負(fù)阻和平均阻抗絕對(duì)值等于Rp，一般將晶體管的跨導(dǎo)gm取為1/Rp的五到六倍之間，即設(shè)計(jì)余量因子為2.5－3?？梢愿鶕?jù)gm=i/u, 計(jì)算不同溫度時(shí)的跨導(dǎo)。通過對(duì)其直流分量的測量而確定振蕩器起振時(shí)的偏置電流。其典型值如下表1所示。

從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，25℃左右溫度下跨導(dǎo)值相對(duì)穩(wěn)定，而在-40℃以下或40℃以上時(shí)跨導(dǎo)值有1mA/v左右的變化；體現(xiàn)在直流分量上就是10uA左右。說明在-40℃以下或40℃以上條件下，振蕩器的起振電流條件不穩(wěn)定。本電路的振蕩器部分采用雙極晶體管工藝，電路對(duì)溫度有明顯的反映，直接導(dǎo)致的結(jié)果就是在75℃高溫時(shí)的振蕩器不能起振。因此，應(yīng)慎重從設(shè)計(jì)及工藝角度來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3調(diào)諧部分的設(shè)計(jì)

調(diào)諧部分的難點(diǎn)是可編程分頻器，分頻器是鎖相環(huán)電路中的基本單元．是鎖相環(huán)中工作在最高頻率的單元電路。按照設(shè)計(jì)的要求，本電路采用13位可編程分頻器。分析結(jié)果表明它的分頻值是在要求范圍之內(nèi)變化的。

2.3.1理論要求

在FM廣播波段中，接收頻率范圍是76MHz－108MHz，而每個(gè)電臺(tái)的波段為200K，最大保持頻段為150K。所以每隔200K的頻率就會(huì)有一個(gè)可能的電臺(tái)波段。射頻信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器后，和LO信號(hào)一同進(jìn)入混頻器進(jìn)行差頻，得到中頻225K，中頻作為新的載波攜帶音頻信號(hào)進(jìn)入到下一級(jí)進(jìn)行聲頻信號(hào)調(diào)制。

在PLL頻率調(diào)諧系統(tǒng)中，為了調(diào)節(jié)VCO的振蕩頻率，通過一個(gè)可編程分頻器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的第一步。13位可編程分頻器分頻值的十進(jìn)制表示可由下式給出。

FVCO, PLL值表示的是分頻器實(shí)際需要的十進(jìn)制分頻值，這個(gè)值得到后要進(jìn)行四舍五入的處理，然后根據(jù)這個(gè)分頻值對(duì)分頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)。表2為調(diào)諧系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)值的傳輸過程。

2.3.2分析設(shè)計(jì)過程

可編程分頻器

頻率調(diào)諧部分的設(shè)計(jì)首先要從可編程分頻器開始，VCO的輸出直接與分頻器第1級(jí)÷2/3電路相連，這是整個(gè)分頻器中頻率最高的部分，接著信號(hào)進(jìn)入÷4/6雙模前置分頻器，該部分電路的頻率仍然較高，依次類推，這些單個(gè)模塊的分頻器要受輸入控制端D端的控制來確定與之對(duì)應(yīng)的分頻值，分頻后和我們需要的基準(zhǔn)頻率32768Hz來進(jìn)行比較。

選取標(biāo)準(zhǔn)頻道76MHz來進(jìn)行分析，把76MHz時(shí)的十進(jìn)制分頻值4652換算成二進(jìn)制值為上邊頻，則D0-D12這13個(gè)二進(jìn)制值就是控制分頻器分頻值的控制端，可以完成調(diào)節(jié)不同分頻值來鎖定我們所需要的收音頻道。完成這個(gè)設(shè)計(jì)，首先要找到分頻器各模塊之間與D0-D12數(shù)值之間的關(guān)系，提出分頻值的算法。

因?yàn)樗械姆诸l模塊中都可能有兩種分頻值（因?yàn)镈值存在高電平1和低點(diǎn)平0兩個(gè)輸入模式）我們可以先得到各模塊的一個(gè)基本分頻規(guī)律，就是2的n次方，在不考慮D值的情況下，分頻模塊要基本保證2分頻。而根據(jù)76M到108M的頻率范圍，可以確定分頻器的分頻值在4000到6700的范圍內(nèi)，這樣就能確定n的具體數(shù)值為12（2的12次方為4096），所以我們至少要采用12個(gè)分頻模塊來完成設(shè)計(jì)要求。

其次我們要找到分頻模塊的具體算法：

因?yàn)槭欠袷?分頻是由D端的數(shù)值來確定，所以我們需要用D值來表示是否是3分頻，可以假設(shè)當(dāng)D值等于1時(shí)，單個(gè)模塊的分頻值應(yīng)是3分頻，當(dāng)D值等于0時(shí)，單個(gè)模塊的分頻值應(yīng)是2分頻，這樣我們就可以根據(jù)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制的邏輯寫出可編程分頻器分頻比的基本算法：

通過以上的基本算法，我們就可以采用具體的分頻器來搭配13位可編程分頻器，本文設(shè)計(jì)的可編程分頻器由雙模分頻器構(gòu)成，如圖12。

CK和CKB是差分時(shí)鐘信號(hào)，CTRL是分頻控制信號(hào)，CTRL=1時(shí)電路作2分頻；CTRL=0時(shí)作3分頻；

電路的仿真結(jié)果如下：

根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的需要采用12個(gè)分頻模塊，則由雙模分頻器組成的可編程分頻器電路結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為圖14所表示電路圖。

電荷泵

在PLL電路中，電荷泵的主要功能是把PFD輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為用來控制VCO輸出頻率的模擬信號(hào)。傳統(tǒng)的電荷泵為了達(dá)到高速，往往以犧牲精度為代價(jià)。

本文設(shè)計(jì)的電荷泵采用兩種調(diào)節(jié)，大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，既提高了鎖相環(huán)的速度，又保證了鎖相環(huán)的精度。電路原理如圖15所示。

采用雙電荷泵結(jié)構(gòu)，上面用于微調(diào)，下面用于粗調(diào)。實(shí)際電路結(jié)構(gòu)如圖16所示，為降低噪聲影響采用差分方式輸入，通過對(duì)A,AN;B,BN兩組差分信號(hào)對(duì)進(jìn)行放大，為電荷泵的有源負(fù)載提供偏置。Q2、Q3、Q6、Q8、Q9根據(jù)鑒相器的輸出信號(hào)來決定它們的開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)電荷泵的充電或放電功能。

對(duì)電壓和電流特性的仿真結(jié)果如圖17所示。

從仿真圖可以看出，當(dāng)PFD有信號(hào)輸出時(shí)，電荷泵是逐級(jí)對(duì)VCO進(jìn)行調(diào)整，在開始階段之前的9ms，粗調(diào)和微調(diào)兩電路同時(shí)工作，之后粗調(diào)電路開啟，細(xì)調(diào)電路關(guān)閉，粗調(diào)電路的拉電流和灌電流很大，約為40uA，電荷泵輸出電壓控制VCO到所需的大概頻率段上；當(dāng)PFD輸出信號(hào)減弱后，電荷泵微調(diào)電路開啟，拉電流和灌電流降低約為1uA左右，微調(diào)輸出控制VCO在較精準(zhǔn)的頻率上，直到PFD沒有信號(hào)輸出，電荷泵粗調(diào)和細(xì)調(diào)都被關(guān)閉。系統(tǒng)就會(huì)鎖定我們需要的頻率。電荷泵的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路低功耗設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于數(shù)字調(diào)頻接收機(jī)頻率調(diào)諧系統(tǒng)的電路，解決了對(duì)可編程分頻器設(shè)計(jì)和改進(jìn)電荷泵的問題。根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，測試數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)的理論計(jì)算值與實(shí)際仿真值并作比較，如圖18所示。

本設(shè)計(jì)LO輸出的誤差范圍在8Hz－8.5KHz之間，符合誤差小于10KHz的設(shè)計(jì)要求。對(duì)本設(shè)計(jì)而言，基準(zhǔn)頻率32.768KHz的選取，是因?yàn)檫@個(gè)頻率的晶振功耗小，但對(duì)系統(tǒng)的精度有影響，要尋求更高的精度，需要在功耗和精度之間做優(yōu)化。電路功耗的檢測從對(duì)整體數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)的實(shí)際仿真得出，仿真的結(jié)果是：2.5V電源下，在76MHz到108MHz的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的平均功耗為 5.5mw，符合設(shè)計(jì)的要求。

射頻電路的設(shè)計(jì)，主要是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)匹配的分析，來滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介

王鴻鵬，碩士研究生，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)研究；

郭宇，北京美新華微電子技術(shù)有限公司技術(shù)工程師，研究方向：集成電路設(shè)計(jì)研究；

石廣源，遼寧大學(xué)物理學(xué)院教授，集成電路及半導(dǎo)體器件的教學(xué)研究；

第9篇：集成電路研究方向范文

關(guān)鍵詞：整數(shù)除法；Verilog；處理速度；精確度

中圖分類號(hào)：TN402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-146-02

Design of Integer Divider with Adjustable Precision Based on Verilog

YE Xianyang,ZHANG Haiyong,PI Daijun,QIN Shuijie

(Laboratory for Photoelectric Technology and Application in Guizhou Province,Guiyang,550025,China)

Abstract：Traditional integer division algorithm used many subtraction to achieve the operation,the process by spending a lot of clock pulse,but also the results of the operation did not deal with the last one bit. Due to the traditional integer divider,an integer divider with adjustable precision based on Verilog is designed in this paper. The process velocity and precision of the divider are improved by using the methods of circulating subtracting and rounding to process data. The simulation for the divider is carried out by the NC-Verilog of the Cadence Company and the results indicate the good function.

Keywords：integer division;Verilog;process velocity;precision

基金項(xiàng)目:教育部“優(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃”(教人司［2003］355)；留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金；2006年度教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目；貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)計(jì)劃基金(合同號(hào)：黔科合人字No.2013)

0 引 言

除法器是電子技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)模塊，在電子電路設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。目前，實(shí)現(xiàn)除法器的方法有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩種方法。硬件實(shí)現(xiàn)的方法主要是以硬件的消耗為代價(jià)，從而有實(shí)現(xiàn)速度快的特點(diǎn)。用硬件的方法來實(shí)現(xiàn)除法器的研究很多，如利用微處理器實(shí)現(xiàn)快速乘除法運(yùn)算，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制除法運(yùn)算，模擬除法器等［1-5］；而通過軟件實(shí)現(xiàn)的除法器算法，可以大大提高器件的工作頻率和設(shè)計(jì)的靈活性，可以從總體上提高設(shè)計(jì)性能，而設(shè)計(jì)高效實(shí)用的算法是除法器的關(guān)鍵，故除法器的算法研究成為現(xiàn)今熱點(diǎn)。

目前，軟件方面主要是通過減法算法來實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算，把被除數(shù)作為被減數(shù),除數(shù)作為減數(shù)，作減法，直到被減數(shù)小于減數(shù)為止,記錄能夠相減的次數(shù)即得到商的整數(shù)部分。將所得的余數(shù)乘以10 作為被減數(shù),除數(shù)作為減數(shù),作減法,差重新置入被減數(shù),反復(fù)相減,直到被減數(shù)小于減數(shù)為止,記錄能夠相減的次數(shù)即得到商的十分位數(shù)值。依此繼續(xù)下去,可得到商的百分位數(shù)值,千分位數(shù)值，……,要精確到哪一位,就依次做到哪一位［6,7］。此方法的缺點(diǎn)是速度慢，而且最后一位的精度不高，為了克服以上的缺點(diǎn)，這里設(shè)計(jì)一種算法在軟件上改進(jìn)了除法器運(yùn)算的準(zhǔn)確性和處理速度。

1 設(shè)計(jì)方法

對(duì)于任意給定的兩個(gè)整數(shù)fenzi和fenmu，設(shè)fenzi為被除數(shù)，fenmu為除數(shù)。為了得到兩個(gè)數(shù)相除的十進(jìn)制結(jié)果，本設(shè)計(jì)主要通過下面的算法來實(shí)現(xiàn)，假如要保留小數(shù)點(diǎn)后面的n位有效數(shù)字，首先把fenzi乘以10的n次方，賦值給寄存器變量data0；接著把fenmu分別乘以10的(n+m)，(n+m -1)，(n+m -2),…,1，0次方分別賦值給(n+m+1)個(gè)不同的變量data(n+m+1),data(n+m),…,data1，其中m是fenzi和fenmu的位數(shù)之差(當(dāng)fenzi的位數(shù)多于fenmu時(shí)，m為正，否則為負(fù))；先求出商的最高位的值，如果data0大于data(n+m+1),則計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，再把data0和data(n+m+1)的差值賦給data0，再相減直到data0的值小于data(n+m+1)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就是最高位的值；依此用同樣的方法繼續(xù)下去，就可得到各個(gè)位上的值［8-10］。對(duì)最后一位進(jìn)行四舍五入處理，當(dāng)相減后的data0＜data1時(shí)，再通過比較data0*2是否大于data1，如果大于data1，則最后一位計(jì)數(shù)器的值加1，否則不變，最后把得到的整體值除以10的n次方，也就是小數(shù)點(diǎn)往左移動(dòng)n位。傳統(tǒng)除法算法由于采用多次相減的過程來實(shí)現(xiàn)，相減的過程耗費(fèi)了大量時(shí)鐘脈沖，而且對(duì)運(yùn)算結(jié)果的最后一位沒有進(jìn)行處理；而本設(shè)計(jì)是通過采用位擴(kuò)展使除數(shù)和被除數(shù)位數(shù)相同，進(jìn)而對(duì)每一位進(jìn)行分開處理，減少了做減法運(yùn)算的次數(shù)，從而提高運(yùn)算速度；同時(shí)采用四舍五入的方法對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行處理，提高準(zhǔn)確性。

上面算法是一種順序方式，用Verilog硬件描述語言很容易實(shí)現(xiàn)，圖1為流程圖，其中假定fenzi為3位的整數(shù)，fenmu為2位的整數(shù)，除法運(yùn)算精確到百分位。

2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)上述的流程圖用Verilog描述語言編程，在Cadence的NC-Verilog仿真器下仿真，設(shè)輸入的fenzi和fenmu的值分別為128和11，仿真波形如圖2所示。

從圖2的波形可以看出，輸出結(jié)果為1 164，除法運(yùn)算要精確到百分位，所以往左移動(dòng)2位，其最終的值為11.64，而實(shí)際的值為11.636 36……，經(jīng)過四舍五入得到的結(jié)果完成正確。從仿真時(shí)間來看，對(duì)于相同的數(shù)值輸入，本設(shè)計(jì)只用了12個(gè)脈沖，而普通除法器至少需要20個(gè)脈沖(128/11=11余7,70/11=6余4,40/11=3余7，11+6+3=20)，相比之下本設(shè)計(jì)的除法算法有很大的優(yōu)勢。

然而對(duì)于兩個(gè)位數(shù)相差很大的數(shù)相除，則本設(shè)計(jì)的速度優(yōu)勢更加的明顯，本設(shè)計(jì)每一位的運(yùn)行時(shí)間都不會(huì)超過9個(gè)時(shí)鐘脈沖，因此進(jìn)行n位計(jì)算的總脈沖也不會(huì)超過9n個(gè)，而傳統(tǒng)的除法運(yùn)算需要多個(gè)時(shí)鐘脈沖，一般會(huì)是本設(shè)計(jì)時(shí)鐘脈沖的數(shù)倍。該算法同樣適合小數(shù)的運(yùn)算，只要把小數(shù)化成整數(shù)，再做同樣的處理，就可以得到精確的結(jié)果。

3 結(jié) 語

通過對(duì)除法器算法的改進(jìn)，用四舍五入的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得到的結(jié)果準(zhǔn)確性有了進(jìn)一步的提高；運(yùn)用移位、循環(huán)減法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速運(yùn)算，并能任意設(shè)定計(jì)算的精度。運(yùn)用此方法在軟件方面設(shè)計(jì)除法器對(duì)速度和準(zhǔn)確性的提高有積極意義。

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作者簡介 葉顯陽 男，1982年出生，浙江人，微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，貴州大學(xué)在讀研究生。研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路。

張海勇 男，1981年出生，河北人，微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，貴州大學(xué)在讀研究生。研究方向?yàn)閿?shù)字集成電路。