集成电路研究方向精选(九篇)

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第1篇：集成电路研究方向范文

关键词：变送器，热噪声，闪烁噪声，微弱信号传输系统

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.

现今的模拟电路设计者经常要考虑噪声的问题，因为噪声是集成电路设计中重要的因素之一，它决定着微弱信号传输系统的性能。由于集成系统的噪声由组成该系统的基本集成单元的噪声特性决定，所以为了优化电路的噪声，了解每个基本单元所产生的噪声是非常重要的。

本文首先对噪声的特性、种类进行了简单描述，并给出了一些有关噪声计算的公式。同时重点分析了一种变送器电路中的噪声，计算出了电路中各端口的噪声，以及总的输出噪声，并通过HSPICE仿真验证了计算结果。其次对产生较大噪声的模块进行分析，最后提出了针对该电路的噪声优化的具体方法。

1噪声的统计特性[1]

噪声是一个随机过程，也就是说噪声的瞬时值在任何时候都不能被预测。但在很多情况下，噪声的平均功率是可以被预测的。从基本电路理论可知，一个周期性电压V（t）加在一个负载电阻RL上消耗的平均功率由下式给出：

T是周期。Pav可被形象地看作是V（t）在RL上产生的平均热能。由于噪声的随机性，测量须在较长的一段时间内进行。

其中x（t）表示电压量。图1.1表示对每个信号取平方，在较长时间T内计算由此产生的波形下的面积，平均功率可通过将面积对T归一化后得到。

1.1 噪声谱

噪声谱,也称为“功率密度谱”（PSD），表示在每个频率上，信号具有的功率大小。

1.2 幅值分布

通过长时间的观察噪声波形，可以构造出噪声幅值的分布，表示出每个值出现多么频繁，x（t）的分布，也被称为“概率密度函数”（PDF），被定义为

PX（X）dx=x

的概率.式中X是在一些时间点上测量出的x（t）值。

2噪声的类型[2]

集成电路处理的模拟信号主要会受两种不同类型的噪声影响：热噪声和闪烁噪声。

2.1 热噪声

导体中电子的随机运动尽管平均电流为零，但是它会引起导体两端电压的波动。因此，热噪声谱与绝对温度成正比。

如图1.2所示，电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源来模拟，其单边谱密度为：

Sv （f）=4kTRf≥0 （1.5）

式中k=1.38e-23J/K是玻尔兹曼常数。Sv（f）的单位是V2/Hz

2.2 闪烁噪声

在MOS晶体管的栅氧化层和硅衬底的界面处出现许多“悬挂”键，产生额外的能态。当电荷载流子运动到这个界面时，有一些被随机地俘获，随后又被释放，结果在漏电流中产生“闪烁”噪声。

闪烁噪声可以更容易地用一个与栅极串联的电压源来模拟，近似地由下式给出

式中K是一个与工艺有关的常量，我们的表示法假设了1Hz的带宽。与悬挂键相关的俘获―释放现象在低频下更常发生，正因如此，闪烁噪声也叫1/f噪声。式（1.6）与WL的反比关系表明要减小1/f噪声的方法，就是必须增加器件面积。

3变送器中的噪声[3]

本文以一种变送器电路为例，分析其噪声。该电路中既存在热噪声也存在闪烁噪声，热噪声主要是由电阻产生的。由于该电路是一种主要工作在低频状态下的变送器，根据式（1.6）可知，闪烁噪声与频率成反比，所以电路中的噪声以1/f噪声为主。图1.3为该变送器的功能结构图。其中A1,A2是差分输入的放大器, A3是实现19倍电流放大关系的放大器，IREF1,IREF2是两个1mA的电流源。该变送器是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4mA～20mA的电流信号后进行远距离传送。输入输出的关系式为：Io=4mA+（0.016 由于噪声会影响电路的线性度，而该电路对线性度的要求很高，所以我们要尽量降低其噪声。

（1）总体噪声的分析

我们先根据公式估算一下电路的总体闪烁噪声. 噪声公式为：

作频率，该电路工作在低频状态，本文设f=100 Hz, fH为带宽，本设计将整体电路的带宽设为118 Hz, fL为低频截止点，设为100 Hz。因此由公式得：

通过HSPICE仿真可以验证该电路的总的输出噪声。仿真时本文用到的是上海贝岭工艺厂提供的PNP管, NPN管,以及电阻和电容的模型。为了接近实际情况，根据厂家测试数据本仿真将模型中的两个噪声参数设定为AF=2,KF=5e-03然后利用.AC DEC 100 1 100k的交流卡和.NOISE OUTV INSRC NUMS 的噪声卡语句对电路进行交流仿真，结果如图1.4所示。横坐标为频率，纵坐标为噪声值。它表示的是图1.3中Io处的总的电压输出噪声。由图 （2）各结点噪声的分析

IREF1,IREF2结点处的噪声为

本文计算的是闪烁噪声，而仿真结果还包含热噪声及其它噪声。可以看出输出级的噪声比前一级低很多，下面具体分析一下降噪的方法。

4本设计采用的降噪方法

本设计主要是通过降低输出电阻和采用差分输入的电路结构来降低噪声的。

1. 由式（1.5）给出的噪声表达式可知，它与电阻值成正比。在电路中噪声值也与该电路的等效输出电阻成正比。利用HSPICE元件卡中的电阻仿真语句，进行交流仿真并对很短的频率进行扫描分别得出了两个电流源的等效输出电阻和电路中总的输出电阻。如图1.6和图1.7所示。 从仿真结果中可以看出，电流源的等效输出电阻为2.6kΩ，电路总的等效输出电阻为17.7Ω。它们的比例与噪声的比例相近。因此电流源的输出噪声与其等效输出电阻是密切相关的。可见本设计是通过降低等效输出电阻降低了输出噪声。

2.如图1.8，1.9所示，为跨导放大器的示意图和电路结构图。INN3,SPAN5,INP4,SPAN6分别是跨导放大器的两个输入端。两个跨导放大器构成了一个大的差分结构。由于差分结构对称点上的增量（交流）接地，因而不会受到电流源接地回路中寄生参数的影响。差分结构的另一个重要优点是它有抑制共模干扰的能力。这一考虑在混合信号应用别重要，差分结构的放大器对抑制噪声也有显著的作用。由于MOS晶体管的沟道电阻产生热噪声，所以选择双极差分输入会得到一个相对好的噪声系数。

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如果要对该电路进行进一步的噪声优化，可以考虑采用增加器件面积的方法去减小1/f噪声。因为器件面积的增加，会使流过器件的电流密度减小，使得电荷载流子被“悬挂”键俘获的数量减少，从而降低漏电流中产生的闪烁噪声。

5总结

噪声现象及其在模拟电路中的影响越来越受到关注，因为噪声与功耗、速度和线性度之间是互相制约的。本文对一种变送器产生的噪声进行了分析，提出了利用减小输出电阻和采用差分电路结构以及加大器件面积的方式来降低噪声的方法，噪声计算和仿真的结果均符合产品的设计指标。

参考文献

[1]毕查德・拉扎维 著 《模拟CMOS集成电路设计》，西安交通大学出版社，2002。

[2]池保勇，余志平，石秉学 著《CMOS射频集成电路分析与设计》，清华大学出版社 2003。

[3]PAUL R.GRAY著《模拟集成电路的分析与设计》，高等教育出版社，2002。

[4]王勇著《放大器固有噪声分析》，2008。

[5]L. W. Couch. Digital and Analog Communication Systems. Fourth Ed. , New York:Macmillan Co. , 1993.

[6]S. M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. Second Ed. , New York: Wiley, 1981.

[7]Y. Tsividis. Operation and Modeling of the MOS Transistor. Second Ed. , Boston:McGrawHill, 1999.

[8]A. A. Abidi. High-Frequency Noise Measurements on FETs with Small Dimensions. IEEE Tran. Electron Devices, vol.33, pp.1801-1805, Nov. 1986.

[9]H. A. Haus et al.. Representation of Noise in Linear Twoports. Proc. IRE, vol.48, pp.69-74,Jan. 1960.

作者简介

卢剑，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

律博，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

刘峻，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

王鸿鹏，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

郭宇，高级工程师，研究方向：集成电路的设计与研究;

苏建华，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;

吴春瑜，教授，硕士生导师，主要从事集成电路及半导体器件的教学与研究;

第2篇：集成电路研究方向范文

关键词:节能;减排;功率半导体

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

功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。

功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。

随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。

目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。

2需求分析

消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。

根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。

在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。

总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。

3功率半导体技术发展趋势

四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。

从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。

在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。

1) 功率半导体(分立)器件

功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。

在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。

功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。

2) 功率集成电路(PIC)

功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。

3)功率系统集成

功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。

4我国功率半导体发展现状、

问题及发展建议

在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。

由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。

笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。

功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。

设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。

我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。

5结束语

总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。

我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。

第3篇：集成电路研究方向范文

关键词：摩尔定律；晶体管；电子信息产业

中图分类号：TN-9 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）23-0170-02

一、引言

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登・摩尔（Gordon Moore）在搜集1959年至1965年集成电路上晶体管数量的数据的基础上，于1965年4月提出的[1]。即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。戈登・摩尔提出摩尔定律后的几年内，世界多数半导体公司按照这个定律制定了产品更新策略。1969年，摩尔和朋友建立英特尔公司并制定电子信息产业标准。此后，英特尔公司生产的大量产品都验证了摩尔定律的准确性。直到目前，全球仍有多数知名半导体制造公司一直遵循摩尔定律进行产品生产，如英特尔、高通、AMD、ST等[2]。

摩尔定律核心是不断增加的晶体管的数目，以及更强大的性能和更高的集成度，这也会带来一系列问题，如设计者需要使用各种方法来解决高温问题[3]。但这却能促进制作工艺的提升和集成电路中晶体管数目的增加。一方面，更强大的性能来源于更多晶体管数目；另一方面，制作工艺的更新也促进性能的提升。很多制造集成电路的工艺被英特尔公司使用，比如180nm，90nm，65nm，45nm，32nm等，来也将有14nm和10nm[4]。其他半导体制造公司也有各自的制作工艺，如台积电公司等。

基于以上问题和相关介绍，从1965年起，几乎所有的半导体厂商都遵循了摩尔定律。每一次进步都使得集成电路上能容纳更多的晶体管，并且带来更低廉的价格。然而，在摩尔定律提出的40年以来，也出现了一些问题，一度让人们怀疑摩尔定律是否会被终结[5-6]。但是摩尔定律一直发展到了今天，在未来几年内也会一直有效。

二、摩尔定律与晶体管数目

1.晶体管数目增加的影响。摩尔定律的经典结论是，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也提升一倍。不断增加的晶体管数量意味着更强大的性能，包括更多的功能和更快的运行速度。集成电路功能可以不断提升。例如，原来的8051单片机没有集成片上模数转换，而现在的单片机如集成Cortex-M3内核的STM32内部集成了模数转换模块。这些模块的增加给工程设计带来很多便利，在印刷电路板上不再需要额外的集成电路，并且可以提高传感器的精确度，在AMD的Tahiti XT中集成了4，312，711，873个三极管[7]。最近几年，提出了一个新的概念――片上系统（Soc）。片上系统的集成电路可以拥有更强大的系统功能、更低廉的价格以及更低的耗电量和更小的供电电压。同时，更多的晶体管意味着更快的运行速度。目前最大的个人CPU I7-3970X拥有22.7亿个晶体管[8]，而上一代最大的个人CPU I7-990X拥有10.17亿个晶体管[9]。目前最大个人电脑的核心部件如表1所示。

2.晶体管数目对温度的影响。工程设计人员希望通过增加单位面积里晶体管的数量来提高性能，并希望通过更先进的制造工艺来控制温度。所以新型集成电路的温度并不会比之前集成电路的低。如今，设计者也可以使用其他途径来解决温度问题。多数电脑使用风扇或者水冷，甚至液氮来冷却。为了更有效率地对集成电路进行冷却，冷却技术需要不断地进行改进和提高。现今集成电路冷却业是一个大产业并且不断发展，世界上有很多专注于此的公司。

三、摩尔定律与价格

当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。因为集成电路的价格主要来源于制作工艺提升的费用，更先进的制作设备需要更先进的生产技术和工厂来支持，而集成电路原料的价格可以忽略。英特尔公司在设计集成电路之外，也建立了先进的工厂来保证制造工艺。建造工厂需要花费大量的物理与财力，所以需要通过增加产品的数量并增加工厂的工作年限来减少生产集成电路的平均费用。台积电是一个非常著名的集成电路制造代工公司，它使用了另一种方法来减少生产集成电路的平均费用。NVDIA，AMD，Qualcomm以及一些其他的集成电路设计公司都是台积电的客户。通过帮助大量的集成电路设计公司生产集成电路，台积电可以生产出大量的产品来提供建设厂房所需要的花费。第一台计算机是为了计算炮弹弹道而生产的，所以拥有足够的军费支持。而工业中费用的问题不能忽视，所以集成电路变得越来越廉价，嵌入式系统也被运用在工业控制中。因为嵌入式系统低廉的价格，除了工业控制之外，其他很多领域也在使用单集成电路微处理器。例如智能家居、智能手机、无人飞机等等。在各个领域中广泛运用的电子设备是使我们的生活能变得更智能更现代的原因之一。在摩尔提出摩尔定律的1965年，这些智能化生活都是不可想象的。

四、摩尔定律未来发展趋势

1965年提出的摩尔定律对世界来说是一个重大事件。而现在，我们将怎样评价它48年来对世界的影响？不管怎样，摩尔定律巨大的影响是不可否认的。在摩尔的眼里，摩尔定律所揭示的速度是不可能永远持续下去的[3]。一些文章认为摩尔定律将会因为漏电流和高温被终结[5]。一些其他的观点则认为导致摩尔定律终结的原因是制造商不能收回研发和建造工厂的巨大成本[6]。一个半导体工业协会出版的名为“未来技术发展蓝图”的文件指出，10nm级的工艺是关键，因为以往的机械制作工艺将不能达到其制造的所需要求[6]。关于摩尔定律的继续发展和未来影响，我们有以下看法。

第一，首先是制造工艺上的一些问题。依照目前的发展趋势，有两个方面的问题越来越明显，就是关于漏电流和高温。这些问题需要通过制造工艺的进步来解决。摩尔曾经指出漏电流将会限制摩尔定律发展，当晶体管的尺寸不断减小，漏电流的影响将使得功耗增大。如果设计者不断减小晶体管的尺寸，电流将变得越来越大并烧毁晶体管。

得益于3D晶体管技术，这个由于漏电流产生的问题暂时得到了解决，集成电路还可以工作在更低的驱动电压下。关于温度，由于更先进的制造工艺，在保持同样晶体管数量和性能下，新型号的集成电路的温度总会低于旧型号的集成电路。在奔腾4时代，英特尔不能很好地解决高温的问题。但得益于多核技术，英特尔推出了名为酷睿的产品来解决这个问题。现在，很多移动平台集成电路供应商都使用多核技术来解决高温的问题。同时，为了控制功耗在100W以下，一个叫ARM的著名集成电路公司推出了一个名为big.little的新异构计算解决方案，这个架构将功耗高、性能强的处理器，与功耗低、性能弱的处理器封装在一起。并希望借此能提高处理器的效率，产生能达到高性能但功耗低的处理器。

各种新出现的技术问题将导致发展放缓。首先在于集成电路的制造方面，比如当集成电路达到10nm数量级时，光学加工手段将会取代机械加工手段。英特尔使用疝灯产生的远紫外线来雕刻集成电路，IBM使用X光，这将可能解决工艺尺寸的问题，比如制造14nm尺寸的芯片。如果新的制造手段将被发现，将继续提高集成电路性能。再看看其他方面的限制，比如耗电问题。目前芯片性能的进步很快，但同时也会增加耗电量。这些都可能是集成电路发展的一个不可逾越的瓶颈，导致摩尔定律不再适用，电子信息产业不再迅速发展。

而对于工艺的更新速度，可以参考英特尔的策略，根据英特尔提出的“Tick-Tock”战略，在接下来的一年，将会有7nm和5nm制作工艺的集成电路推出。当“Tick”年来到，集成电路的制程将会更新；而“Tock”年到来时，集成电路的微处理器架构将会更新[9]。

第二，财务因素是每个公司发展的决定性因素。一些专家认为公司无法负担起建设新厂房所需要的大量资金。新的集成电路所带来的利润不足以让公司支付这些费用并盈利，集成电路的更新速度将会放缓。目前，英特尔正在以色列建设10nm生产工艺的工厂。在电子信息产业发展早期，硬件能力的增长跟不上软件需求发展的速度（软件设计总是需要更高性能的硬件），所以对硬件的性能提升有很大的需求，每次硬件的增长都被快速地应用在软件上。而现在软件的复杂性增长已经趋于平缓，而不是继续高速复杂化。比如新一代的Windows 8操作系统对硬件的要求甚至低于老一代操作系统Windows 7[8]。一直致力于提高芯片性能的英特尔也推出了功耗更低和超低电压CPU，由英特尔极力推广的超极本逐渐成为了未来笔记本的发展方向。另一方面因为大多数用户并不需要如此强劲的性能，而更加看重用户体验，加上购买高性能处理器的花费太高，导致技术进步的速度受到限制。比如只有少部分中国人使用昂贵的I7处理器。如果不能有效地控制成本，并且没有大量的市场需求，集成电路性能提高的速度将大大放缓。

第三，全新的制造材料将改变集成电路的发展方向。在晶体管发明以前，没有人能预料到今天电子信息产业的繁荣。也许我们能使用新的材料或者技术来改变现状。我们可以考虑使用其他的半导体元素代替硅元素制作晶体管，比如元素周期表上第三和第五族的元素。利用它们不同的属性，提高芯片的性能。但这可能仅仅是权宜之计，因为它们可能也会遇到与硅元素相同的问题。石墨烯也是一个很有希望的晶体管材料。但是它也有很多问题，比如没有足够的带隙，人们对它的了解也不足够充分。这些材料和技术目前都处于探索之中，未来也许也会有新技术出现，并带来革命性的改变。如果将来的某个发明，改变了集成电路性能提升的方式，或者产生了新的计算机技术，取代了现有的集成电路工作原理，那么摩尔定律可能将不再适用。

五、结论

由本文的研究分析可以得出，目前集成电路的发展还会遵循摩尔定律，并伴随电子信息产业的飞速发展。而若干年以后，集成电路和电子信息产业的发展速度将会放缓。此外，集成电路性能提升的方式也可能会发生改变。

目前，电子信息产业发展飞速，如同大多数工业产业一样，由刚刚兴起时的发展困难到随后的一个高速发展时期，然后又逐渐趋向平稳。在电子信息产业中，这种现象可能出现在五年后，也可能在十年或者二十年以后。但这一天一定会到来，没有人可以打破这个基本的自然规律。在未来几年内，摩尔定律还将适用，电子信息产业仍将快速蓬勃发展。在未来的某天，摩尔定律将失去它的价值，电子信息产业也将会以其他的形式和方向继续发展。

参考文献：

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[2]陶然.守望摩尔定律[J].电子产品世界，2010，（6）：2-4.

[3]沈建苗.摩尔定律是否有未来[J].微电脑世界.2011，（9）：12-15.

[4]Desktop 3rd Generation Intel Core Processor Family，Desktop Intel Pentium Processor Family，and Desktop Intel Celeron Processor Family[EB].http：///content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/3rd-gen-core-desktop-vol-2-datasheet.pdf，January 2013.

[5]齐书阳.摩尔定律会终结吗[J].电脑爱好者，2013，（8）.

[6]赵佶.摩尔定律何时会失效[J].半导体信息，2012，（5）：4-8.

[7]Mike Mantor. White Paper|AMD GRAPHICS CORES NEXT （GCN） ARCHITECTURE[EB].http：///cn/Documents/GCN_Architecture_whitepaper.pdf，August，28，2012.

[8]Intel Core i7-900 Desktop Processor Extreme Edition Series and Intel Core i7-900 Desktop Processor Series on 32-nm Process[EB]. http：///content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/core-i7-900-ee-and-desktop-processor-series-datasheet-vol-1.pdf，February，2010.

第4篇：集成电路研究方向范文

【关键词】计算机技术；技术创新；创新原因

一、电子计算机发展中的突破性进展及其技术原因

由于现代社会对于复杂计算量任务的需求日益增加，人们迫切需要一种能够进行精确计算的电子设备，于是电子计算机应运而生，在随后的几年中，电子计算机技术得到了更加迅速的发展，并取得了很多里程碑式的突破，其主要表现和原因如下：

（一）晶体管技术与晶体管计算机的发明

在第二次世界大战以前，贝尔实验室的科研人员发现了一种能够使得微弱电流少量的变化，能够对另外的电流产生很大影响的材料，人们称之为“晶体管”；后来，人们逐渐发展晶体管在工作上不仅能够替代原有部件的作用，而且能够更好地提高计算机的性能，于是一些科研人员开始研究以晶体管计算机代替原有的电子管计算机，并确立了读写方便的二进制，同时人们从中得到启发，发明小型的供个人使用的计算机将会成为未来计算机的发展方向之一。采用晶体管作为主要部件的计算机被成为“第二代电子计算机”，并在随后的时期被广泛地运用，同时为以后的发展提供了契机。

（二）集成电路与PC机时代的到来

通过在发明晶体管计算机中的启发，通过当时的科学技术人们已经能够将晶体管、二极管和电阻等一些元部件和电路连线在一块集成电路板上，与普通的电子电路相比，集成电路具有体积小、重量轻、易携带、功耗低等优点，而且其可靠性也在逐步提高。后来，人们逐渐认识到集成电路的好处，并将集成电路运用到电子计算机的技术中来，同时将集成电路进行规模化生产，不仅促进了电子计算机的发展，而且使得计算机的成本降低，为未来计算机的普及奠定了良好的基础。

集成电路的发展不仅推动了电子计算机技术的发展，而且为PC时代的到来开辟了道路，随着集成电路被广泛的应用到电子计算机中，IBM公司首先建立了自己的集成电路工厂，并且在不断的摸索中，终于制造出了以集成电路为基础的电子计算机，从而使得计算机的发展到了第三时期。

（三）微处理芯片与英特尔系列

微处理器与集成电路和晶体管并称为计算机发展过程中的三大发明，可见微处理器对于计算机发展的推动力是不可或缺的，这三项发明分别使得电子计算机进入了新的时代。

当时微处理器的发明人员认为可以将复杂的芯片设计方案更加简洁化，在这一启发下，计算机的芯片主要是由只读存储器、随机存取器和输入输出接口和中央处理器组成，在这一结构的启发下，研发人员开始投入到微处理器的试运行过程中。

微处理器最终成功地研发并投入生产，使得整个计算机产业向着更加微型化的方向发展，尤其是在PC机领域，微处理器的产生，使得很多设想成为可能。

二、影响现代计算机技术创新的科学技术因素

科学家认为，电子计算机的集成度已经到达一个瓶颈时期，在集成电路板上如果再放置具有更强计算能力的部件，容易使得芯片散热不好，从而影响计算机的使用寿命。但是，人们对于电子计算机的要求却在不断提高，这一矛盾就导致了科学家开始寻找其他的路径来不断推进现代计算机的技术创新，主要包括以下几点：

（一）人工智能技术的发展

随着计算机功能和计算性能的进一步提高，人们开始思考能否让计算机模拟人类的思考和解决问题的模式，从而变得更加智能化，使得能够进一步解放人类劳动。目前为止，计算机技术在人工智能的领域已经取得了重大的成就，例如：一些专家系统已经能够利用已有的知识帮助人们解决问题，另外一些语音识别技术能够解放人们的双手，通过声音的录入就能够生成文字等等，这些技术虽然能够在一定程度上，使得电子计算机模拟人脑的行为，但是还远远无法跟人类的智能相媲美，因此在人工智能的道路上，我们还需要更多的研究和突破。

（二）量子力学的研究推动着量子计算机的发展

当人们认识到传统的综合性应用的计算机的发展已经到达一个瓶颈时期的时候，人们开始探索能否将计算机向着专用的方向发展，例如：人们可以利用量子计算机进行量子计算，但是从传统的综合性应用的计算机到量子计算机的改造是一项复杂的过程，这一过程中必须要攻克以下几个难题，例如：去相干的问题和纠错的问题等等，随着科学技术的发展，人们发明了量子计算机并且使得它的应用走向成熟，目前，对于量子力学的不断研究为量子计算机的发展提供了坚实的基础，成为未来电子计算机发展的新方向。

（三）光学为光子计算机的研究提供可能

光学的概念来自于爱因斯坦对于光学的研究，他在研究中发现与电子相比，光具有以下特点：光子的分辨率比较高；光子的速度更加快；光子的这些特点使得其未来具有更广阔的应用前景。而对于光学的研究，例如：激光、光纤、光存储和光显示等等，以及光学与光电子学的结合，标志着现代光学的诞生，这些技术的发展都有力地推动了光子计算机的发展。

作为一种全新的计算机，光子计算机是以光子作为信息的载体，而且能够进行光运算的新型计算机；在光学研究的基础上，目前光子计算机能够“与”、“或”、“非”三种基本的运算，同时还支持加法的运算等等，虽然目前光子计算机还没有正式的诞生，但是人们已经逐渐认识到其优势，也成为计算机未来发展的方向之一。

（四）DNA分子逻辑门奠定了DNA计算机发展的基础

DNA计算机是计算机科学与分子生物学相结合的产物，从此计算机的发展又开辟了一个新的领域。DNA分子具有较高的存储能力和强大的并行运算能力，所以DNA计算能够解决一些复杂的问题。DNA计算机的出现能够使得计算机的应用场合进入到人体内甚至细胞内，可以作为一种监控机制，发现DNA的变化等等，而且还能够合成一些药物，用来治疗人体的疑难杂症等等，具有非常广阔的应用前景，但是，目前DNA计算机的还处于研究过程中，完成对其真正的应用尚需时日。

（五）纳米技术的出现使得纳米计算机成为研究热潮

随着国际上对于纳米技术的研究，一些纳米材料正式诞生，使得全世界投入到了一股研究纳米技术的热潮中。同样，人们开始思考利用纳米计算机来实现一些传统计算机一些更加强大的功能，例如：可以利用纳米技术制作一些缩微计算机元件，而且这种纳米计算机一旦研究成功就有可能消耗很少的资源，在性能上也将获得更大的提高。目前，建造一个芯片生产工厂耗资巨大，使得很多厂商都不堪重负，但是如果利用纳米技术来制造和生产计算机的芯片，工厂的占地面积和所需资源等等都将大大降低。

三、影响现代计算机技术创新的社会因素

通过以上的分析和论述可知，在计算机的发展过程中，很多技术的研究为计算机的诞生和发展提供了契机，使得现代计算机朝着很多方向进行发展。但是，影响现代计算机技术创新的因素远远不止科学技术因素，还与社会因素密不可分，影响现代计算机技术创新的社会因素主要有以下几点：

（一）国家需求对于计算机技术的发展要求

随着目前世界上各个国家都处速发展时期，一些工程项目的数据和计算复杂程度逐步增加，采用传统的计算机已经无法满足这些需求。因此，必须要对计算机技术进行创新。例如：目前的加密技术正在逐步提高，密文在目前的计算量来讲是无法破译的，但是随着超级计算机性能的提高，运算速度的加快等等，密码必须进行更严密的运算，这就需要超级计算机来进行。超级计算机能够使得运算速度得到很大提高，可以在国防安全和信息安全等方面起着重要的作用。

（二）人们对于计算机的需求也是创新因素之一

目前，随着科学技术的发展，计算机已经被普遍地推广和应用，人们对于计算机的需求也在不断上升，这也成为计算机技术创新的重要因素之一，主要表现在以下几点：第一，体积微型化，为了能够打破时间和空间对于计算机使用的限制，人们需要一种能够便于携带的、体积更小、续航能力更强的计算机，这就促使着计算机技术向着更加完善的方向发展；第二，功能全面化，人们对于计算机的需求也向着功能更加全面的方向发展，希望能够利用一台计算机进行工作、学习和娱乐等等，所以现代的计算机也正在向着功能更加全面的方向发展着。

四、面对计算机技术创新的几点建议

人们的生活每时每刻都在变动，计算机技术的创新也无时无刻不在发展，面对日新月异的计算机技术创新，主要有以下几点建议：

第一，准确把握需求，一项新技术的产生肯定有一定的需求因素为推动力，明确需求才能更好地研究出符合相关需求的计算机技术。

第二，计算机技术有着众多的研究领域，每个研究领域都可能为计算机技术的创新提供启发，所以在通用计算机的基础上研究一些针对专业领域的计算机技术也非常重要，从而能够更好地促进计算机技术的创新。

第三，计算机在给人们带来方便的同时，也存在着很多隐患，例如：病毒、网络攻击、信息窃取和辐射等问题，不仅影响着人们的健康，而且还威胁着国家的安全，因此我们在致力于计算机技术的创新过程中，也需要考虑计算机带来的负面影响。

第四，信息时代的到来，为计算机技术的发展提供了另一个契机，随着人们逐渐认识到信息的重要性，人们开始利用计算机进行沟通和交流，所以计算机的携带、功耗、续航以及成本等问题也成为计算机技术创新过程中需要考虑的重要因素。

第五，由于目前计算机已经被广泛地运用到各个领域，所以计算机技术的发展不仅仅需要本领域相关知识的支持，而且还需要其他领域知识的配合，在此过程中需要研发和技术人员对于相关领域的技术有着深入的了解，才能够真正制造出跨领域发展的计算机。

参考文献：

[1]李乃胜.当代科学技术发展前沿[M].青岛：中国海洋大学出版社，2004年1月出版.

[2]杨华.未来计算机的发展趋势展望[J].黑龙江科技信息，2007年7月.

[3]高文.计算机技术发展的历史、现状与趋势[J].中国科学基金，2002年1月.

[4]侯跃武.计算机基础与实训教材系列：电脑入门实用教程[M].清华大学出版社，2009年5月出版.

第5篇：集成电路研究方向范文

硅通孔技术（TSV）是三维集成电路设计关键技术之一，本文从其制备、应用于系统中的性能参数及其意义、具体设计主要思路三个方面，对TSV在三维集成电路设计中的基础概况进行分析探讨。

【关键词】硅通孔技术 三维集成电路 设计原则

三维集成电路是指多层面构建集成电路，可进一步扩展布局空间，减少线路相互之间的干扰，解决信号拥堵问题，扩大频宽，降低功耗，最终提高系统性能。3D封装是三维集成电路关键技术，主要包括裸片堆叠封装、叠层封装与封装内堆叠三种具体实现形式，各有优劣。贯穿硅通孔技术（TSV）是一种系统级架构技术，可实现层级间裸片互联，是目前最先进、应用最广泛的互联方式之一。本次研究就基于硅通孔技术的三维集成电路基本设计进行概述与分析。

1 TSV制备

TSV制备工艺据通孔制作工艺顺序可分为先通孔与后通孔两种，先通孔是指在制备IC时同时通孔，后者是指在制备IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工艺在CMOS或BEOL制备前应用；（2）在元件设计阶段即介入应用；（3）需严格的CD控制；（4）通孔宽度为5-20μm；（5）深宽比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征为：（1）工艺在BEOL或TSV键合（Bonding）制备后应用；（2）在设计阶段后期介入；（3）CD控制较宽松；（4）通孔宽度20-50μm；（5）深宽比AR3：1-15：1。

通孔刻蚀技术是TSV技术的核心，强调通孔尺寸一致性，无残渣，形成需达到一定速度，规格设计具有一定灵活性，目前仅有IBM及其部分代工厂掌握该核心技术。通孔刻蚀技术主要可分为博世工艺技术、激光刻蚀技术，两者各有优劣。博士工艺孔径大小、数目、深度无特殊要求，但孔径侧面较粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蚀仅适用于>10μm孔径通孔，孔径数目也受吞吐量影响，但通孔侧壁表明光滑，耗材低，无需光刻。

通孔后，TSV需进行填充，涉及通孔绝缘、淀积与电镀多个工艺步骤，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充时需要考虑填充绝缘、沉积温度等多个方面因素，一个细节的疏忽都可能影响通孔性能，进而影响系统稳定性与功效。目前，主要填充技术包括溅射沉积、均匀淀积，但考虑到成本因素，电镀铜是目前应用最广泛的硅通孔填充方式。

最后为实现晶体TSV互联，需应用TSV键合技术，目前最常用的键合技术包括金属-金属键合、氧化物共熔键合与高分子黏结键合。三种键合技术各有优劣，应用均十分广泛，但均只适用于满足电学特性的光滑键合表面，不能进行机械表面与电学特性表面键合，金属-金属键合有望打破这种限制。

2 反映TSV性能的参数及其意义

2.1 互联延时

全局互联普遍被认为是集成系统性能提升的设计瓶颈，全局互联产生的连线延时决定系统时钟频率与速度传输限，创造一种更有效的互联策略已成为当今电路设计中研究热点。缓冲器插入式目前应用最广泛的一种缩短全局互联延时的设计，使用灵活，有助于减少硅通孔数目与集成密度，进而降低互联延时效应，提高系统性能，降低误差。

2.2 互联功耗

互联功耗与系统电路规模与集成密度有关，目前，互联电容已取代门电路成为片上功耗与动态功耗主导因素，插入缓冲器后功耗与全局互联规模有关。应用硅通孔三维互联构架，可减少互联需要，但却需要更多的缓冲器，增加片上功耗，在设计PSV时，需充分考虑PSV功耗。

3 TSV三维集成具体设计主要思路

3.1 阻抗特性差异

三维集成虽然可缓解不同材料、工艺差异所产生的串扰噪声，降低混合技术同化复杂度与电路模块电磁干扰，最终降低成本，提高效效能，但与此同时，三维设计也增加了阻抗差异。阻抗差异后是源层互联固有缺陷，应用TSV技术互联则增加了阻抗差异，进一步放大了这种缺陷。因此将TSV应用三维集成系统构架中，需综合考虑阻抗差异，尽力减少阻抗差异对互联信号的影响，避免信号发生反射或失真。

3.2 热管理与优化

电路工作之中不可避免的发散热量，热效应已成为影响集成电路功效、元件可靠性的重要因素之一。三维集成技术增加了芯片物理层数，顶端物理层与散热片距离显著增加；三维集成技术缩短了物理尺寸，芯片功耗密度显著增加，热效应增加，芯片内温度上升，可能造成元件性能下降，电迁移失败，甚至可能造成物理损毁。应用TSV技术，可能影响整个芯片热扩散效果、途径，因此在设计TSV系统构架时，需对热扩散进行预测，分析芯片内外温度分布，并提出热优化技术与策略，降低消热阻。目前常采用的热优化技术策略为减薄衬底厚度，降低散热片等效热阻，热驱动优化，布局优化，热通孔插入，等。

4 碳纳米管TSV设计

碳纳米管具有优良的电热传输特性，平均自由程较长，耐高温，是一种较理想的互联材料，具有较大的发展潜力。碳纳米管电流承载密度极限远高于铜，电子迁移稳定，有助于克服承载不稳定性TSV技术这一固有缺陷。碳纳米管具有一维导体特性，热特性较高，热传导率极高，可达到3000～8000W/m-K，将碳纳米管应用于TSV集成可极大的提高系统散热能力。

5 小结

硅通孔技术是三维集成电路制造核心技术之一，其技术水平直接影响系统性能、稳定性。电路设计工作者，在应用TSV技术过程中，应尽量采用时下成熟的TSV制备技术，把握具体设计思路，从提升系统整体性能出发，提升设计水平。同时，应具有创新、探索精神，积极尝试引入新材料、技术与理念，大胆尝试，开阔设计思路，以探索更优的设计方案。

参考文献

[1]X.ChuanL.Hong，R.Suaya and pact AC modeling and performance analysis of through silicon vias in 3-D ICs.IEEE Trans.Electron Devices，2010，57（12）：3405-3417.

[2]童志义.3D IC集成与硅通孔（TSV）互联[J].电子工业专用设备，2009（27）：26-29.

[3]王高峰，赵文生.三维集成电路中的关键技术问题综述[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（2）：1-5.

作者简介

祝竹（1983-），女，安徽省宣城市人。2006年毕业于合肥学院，电子信息工程专业。现为宣城职业技术学院电工与电子技术专业教师。研究方向为电工技术与汽车电子类。

第6篇：集成电路研究方向范文

【关键词】电视机；故障；检修

1.引言

随着电子技术的飞速发展，电视机、手机等电子产品与我们生活息息相关。本文以电视机为例，分析电子产品常见故障检修方法，通过案例讲解，介绍了电视机常见故障排除方法。

2.电视机常见故障现象

（1）开机后或使用时，听到“啪啪”的响声，甚至有臭味，此时如不立即关机，则有可能损坏元件或使显像管炸裂。这是电视机高压部分在打火，使空气的氧气在电火花作用下生成少许臭氧。

（2）使用过程中电视机突然冒烟或有焦烟味，严重出现明火应立即切断电源，清除周围可然物品，用细沙或湿棉被，毛毯等纺织物包住电视机，以隔绝空气流通，扑灭火苗，同时防止因燃烧而引起显像管爆炸伤人。但严禁用水灭火，以免显像管骤冷爆裂。

（3）电视机亮度突然变暗，整幅画面缩小，这是电源故障所致，要及时关机，以免故障扩大。

（4）开机后，屏幕上出现不规则的黑点或黑线，较长时间地跳动，可将频道选择钮拨到空挡观察，如仍不消失，应立即关机。

3.故障分析步骤

（1）切断电源，打开电视机后盖，切勿碰高压嘴部分，从电源线开始检查，观察整体电路，看看有没有异常现象，比如电阻烧断或电路板线条烧断等现象；

（2）若无明显外部故障，通电，根据电视机的光、像、色、声几方面的情况，确认故障现象，从故障现象推断故障所在的范围；

（3）通过检查和分析确定故障部位；

（4）运用各种测试手段发现故障元件；

（5）用合格的元件更换故障元件或进行必要的调整来排除故障。

图1-1 故障检修流程图

4.故障分析过程注意事项

（1）集成电路（IC）的引脚间距很小，测量时表棒容易发生短路，造成意外的损坏。在此特别提醒：检测时，一是建议采用单手操作；二是不宜直接测集成块引脚本身，而应测引脚外延的焊盘；三是表笔不宜过于倾斜，以防止短路；四是严禁带电测电阻和焊接元件。

（2）在拆除显像管高压帽之前，-定要对显像管的阳极残留电压进行放电。放电方法：关机后将显像管高压嘴串一个10k（2W）电阻，对显像管玻璃外壳进行多次放电。放电时，应对显像管地线放电，切不可在机内地线上打火放电，更不能用打火法来试验有无高压；否则，会引起集成电路（特别是解码集成块）的损坏。

（3）在发现开机断保险丝时，未经查明原因，不急于换上保险丝通电（特别不能用比原来规格大的保险丝或金属丝替代），否则，可能会使尚未损坏的元件（如电源调整管、行输出管、基色输出管等）烧坏。如果不通电无法发现故障，可用规格相同的保险丝换上去再试一下，此刻要掌握时机，观察故障现象。最好先切断电视机稳压电源的负载，然后检查稳压电源。

（4）将底板平放在桌面时，要预先检查底板下面是否有金属物，以防止开机时时造成短路。不要带电移动电路板。

（5）当扫描电路不正常，屏幕上呈现一条水平亮线或垂直亮线时，应将亮度关小后再进行检查，以免烧伤屏幕。

（6）检修时，不可盲目调试机内可调元件（如磁心、磁帽、可变电阻、电位器等），否则，会使那些本来无故障的电路工作失常。

（7）在通电检查时，如发现冒烟、打火、焦臭味、异常过热等现象，应立即关机检查。

5.更换元件注意事项

（1）集成电路的更换

集成电路损坏后，一定要用同型号的更换。更换集成块时，务必确定正确的插入方向，切不可将管脚插错，必须在关闭电源之后进行，拆装集成电路时，烙铁外壳不可带电以免损坏集成电路。

（2）晶体管的更换

更换晶体管最好用相同型号的管子，或者用晶体管对换表中所列功能相同的管子（但要注意管脚排列是否相同）。对于低频管，其耐压和β值应符合要求。对于高频管，其耐压和fT值应符合要求：对于功率管，其耐压和功耗应符合要求；在更换中还要检查绝缘用的云母薄片有无裂损，替换后再用万用表检查绝缘情况。

（3）线圈、变压器的更换

因为各种电视机所用线圈、变压器多数不尽相同，所以更换时应用与原机相同规格的线圈或变压器。但换上同规格的线圈、变压器后，需作适当的调整。若无成品更换而需自行制作时，则应该用同样线径，同样长度的导线（有时就可用原来的导线），按同样的工艺绕制和处理，以确保电感量相同，绝缘性能良好。应特别注意其引出头位置应与原来相同。

（4）彩色显像管的更换

彩色电视机通常采用自会聚彩色显像管，其偏转线圈是由厂家配套供应的，并已事先调整到最佳状态。显像管衰老或损坏了，需用同规格的显像管连同偏转线圈一起更换。如果只更换显像管，则更换后需要进行色纯度与会聚的严格校正。

6.检修实例

（1）无光栅、无伴音、无彩色检修

此故障一般是电源电路或行输出电路有故障所致。检修时，首先应检查机内两只熔断器是否熔断（可只观检查或用万用表R1×1Ω挡测量）。0.5A熔断器串接在电源变压器的一次（初级）回路中，也可以在不打开电视机外壳的情况下，测出电源变压器一次回路是否开路。其方法是：将万用表至于R×10Ω挡，两只表笔分别接电源插头的两端，然后接通电源的开关，正常时能测出几百欧姆的电阻值，若测得阻值为无穷大，则是0.5A熔断器熔断、电源变压器一次绕组开路、电源线断线或电源开关损坏。

若0.5A熔断器熔断，则应检查电源变压器是否烧毁、整流器是否击穿。若电源变压器和整流器件正常，则是市电电压不稳定（瞬间偏高）所致。若2A熔断器熔断，则是电源稳压调整电路或负载电路有短路故障，应检查是行输出管、行输出变压器等负载电路短路还是行频偏移使行扫描工作电流增大。

若熔断器完好，则应测量稳压电源的+12V输出电压是否正常。若+12V电压为0V，则是电源调整管或复合放大管开路、复合放大管基极的偏置电阻器开路、稳压二极管击穿损坏等。若+12V电压偏低，仅有3V～5V，则是整流电路或稳压电路中有元器件损坏。

图1-2 “三无”故障检修流程图

（2）有图像、有伴音、无彩色故障检修

有图像、有伴音，表明信号通道中自高频头至中放部分是正常的，当然电源电路、伴音电路和扫描系统也是正常的。如果图像质量和伴音质量都较差，无彩色的故障还有可能在公共通道（如天线接触不良或通道增益下降等），如果图像和伴音质量均较好，故障范围可以锁定在解码电路或色度控制电路。

图1-3 有图像、有伴音、无彩色检修流程图

（3）无光栅、无图像、有伴音故障检修

图1-4 无光栅、无图像、有伴音故障检修流程图

有伴音，表明公共通道和电源电路正常。根据本机开关电源是采用行逆程脉冲反馈锁定振荡频率的特点，可以基本判定行扫描电路也正常。

7.结束语

本文是作者长期维修经验总结，仅供初学者和电子爱好者参考。

参考文献

[1]赵妮娜主编.电子技能实训[M].北京：机械工业出版社，2010，11.

[2]华容茂，闫军主编.电工电子技术实习与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2000，3.

第7篇：集成电路研究方向范文

关键词：ARM；超声波；传感器；语音报警

中图分类号：TN959.7

在空气介质中，超声波传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在车辆自动导航系统、车辆安全行驶辅助系统中都有应用。倒车雷达是一种汽车泊车安全辅助装置，该装置能以声音或距离显示等直观方式来提示驾驶员周围的障碍物情况，方便驾驶员泊车和车辆的起停，并且帮助驾驶员克服视野死角和视线模糊的缺陷，从而提高了驾驶的安全性[1]。

目前，国内外都在研究如何利用汽车避撞技术来辅助汽车驾驶员对影响驾驶的人、车、路况进行实时的监控，当出现危机情况时，该系统将自动干涉驾驶员操作，辅助驾驶员进行相应的处理，避免汽车碰撞事故的发生。倒车雷达报警系统可以降低倒车难度，避免驾驶员因为方向感不强，而引起的事故，同时该系统对提高汽车智能化和最终实现汽车无人驾驶也有积极地意义[2]。

本文主要介绍了一种基于ARM的超声波倒车雷达监测报警系统，具有高精度、微型化、并且有LCD显示和语音报警功能的倒车雷达系统。

1 系统工作原理

2.1 超声波发射电路设计

图2为超声波发射电路的电路图，STM32F103VB的PD10端口输出40ms脉冲波，该脉冲波经过单稳态触发器进行升压和脉宽控制，从而输出周期为40ms，高电平宽度为160μs的方波。555振荡器的置位脉冲就是该脉冲信号。超声波发射电路主体是由555时基电路及元件构成的40kHz多谐振荡电路，利用555定时产生40kHz的振荡信号，然后由超生波发射器将电信号转化成超声波信号发射出七个脉冲串。超声波在传播过程中遇到反射物，反射物将超声波反射到接收器，所以由式（1）可知，超声波传送的距离是测量距离的2倍。

2.2 超声波接收电路设计

超声波接收电路采用集成芯片CX20106搭建，如图3所示。CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，通常于电视机红外遥控接收器。因为红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，所以可以利用它制作超声波检测接收电路。CX20106接收超生波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。为了改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力，可以调整电容C，当无信号时，输出高电平，当接收到回波信号后跳变为低电平。

2.3 语音提示电路

语音提示电路采用的是WT588D语音芯片，该款芯片是一款语音单片机芯片，其功能强大，并且可重复擦除烧写的。同时具有功能多，音质好，应用范围广，性能稳定等特点，软件界面操作简洁易懂，并且撮合了语音组合技术，这样就减少了语音的编辑时间。该芯片具有按键控制模式、MP3控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式、按键组合控制模式、I/O口扩展输出模式。有220个可控制的语音地址，每个地址位里可以加载128段语音，只需要通过访问地址就可实现语音播报，语音提示电路如图4所示。图中稳压芯片KIA1117为WT588D提供3.3V电压。本系统将语音分成10段录入WT588D语音芯片中。

3 系统软件设计

初始化语音播放模块，给超声波发送10微秒高电平启动信号，开启超声波测距功能，计数器1清零，等待超声波测量回波脉冲上升沿开启计数器1，等待超声波测量回波脉冲下降沿关闭计数器1，用计数值计算出距离，判断是否处于0到4米的距离内（根据传感器选取的测量范围），并语音播报每次检测到的距离，如果超出范围播报“超出测量范围”，判断是否小于最小安全距离20厘米（注意：该数字可自行更改设定），如果小于最小安全距离语音警告5次“危险距离”。判断执行完毕后，再次重新开启超声波传感器进行测量。

4 结束语

系统利用超声波在空气中的传播性，可以实时获得超声波在空气中的传播速度和传播时间，然后利用距离等于时间和速度相乘的原理，设计了一款基于ARM的超声波倒车雷达报警系统，通过语音播报和LCD显示实时测得的汽车尾部与障碍物的距离来提醒司机。实际使用证明，本倒车雷达系统工作稳定可靠，可提高车辆运行的安全性。而且具有良好的性价比，因而具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[J].国外电子元器件，2008（08）：69-70.

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[3]吴琼，封维忠，马文杰.汽车倒车雷达系统的设计与实现[J].现代电子技术，2009，32（09）：191-194.

[4]朱维杰，于湘珍.基于超声波测距的自适应倒车雷达设计[J].汽车电器，2009（04）：15-17.

[5]杨振宇，李琳，陈文芗.一种微控制器的倒车雷达系统的设计[J].计算机测量与控制，2007，15（01）：68-70.

作者简介：谢星（1985-），男，助理工程师，硕士，研究方向：物联网RFID技术；孙玲（1976-），女，副教授，博士，研究方向：高频集成电路设计；曹海平（1972-），男，高级实验室，硕士，研究方向：电气控制、嵌入式系统；杨玲玲（1987-），女，助教，硕士，研究方向：集成电路封装、信号完整性、单片机系统开发。

第8篇：集成电路研究方向范文

关键词 ：锁相环；本振；压控振荡器；频率调谐；分频比

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

频率调谐系统作为信号接收机对信号筛选过程中重要的一部分，在便携式通信电子产品中得到广泛应用,。本文是基于PLL技术，分析设计射频信号接收机中的数字调谐部分。PLL的基本作用是把时钟频率调制到所需的频率上，并使这个频率锁定以达到稳定的输出。本篇文章分析的重点是在调谐系统内部，通过PLL控制外部振荡器的频率；难点是数字调谐部分中的可编程分频器，要根据设计要求计算分频比的理论值，然后推算分频器输入到输出的算法函数，根据算法函数设计出电路。

2电路的原理与技术分析

2.1 电路工作原理

如图1所示，射频信号接收机数字调谐系统由压控振荡器（VCO），数字调谐部分和一个二分频器组成，而VCO与数字调谐部分又组成了锁相环结构，可以根据锁相环理论来设计电路。整个数字调谐系统结构如图2所示，VCO输出的振荡频率经过可编程分频器处理，与外部晶振提供的基准参考频率一同送入鉴频鉴相器进行比较。出于对功耗的考虑，本文选用32.768KHz晶体振荡电路设计，作为频率调谐系统的参考频率。

鉴频鉴相器输出驱动电荷泵，通过环路滤波器向压控振荡器提供调谐电流，用以调整变容二极管的电容值，修正压控振荡器输出频率。当可编程分频器输出频率与参考频率完全一致时，环路处于锁定状态，使压控振荡器输出频率固定，最终得到的频率再经2分频电路送入混频器。本设计使用两个不同时间常数的滤波器，在第一个阶段，环路必须快速响应，但后一个环路要有窄的带宽来限制噪声以达到好的信噪比。

2.2 压控振荡器

振荡器就是在直流电源供电的情况下，产生周期性变化的电压信号的电路。任何振荡器都可看作是一个在振荡频率处呈正反馈的环路。如图所示，Ha（w）为前向电路的传输函数，Hf（w）为反馈网络的传输函数。振荡器的起振条件为T（w）=Hf（w）Ha（w）>1

2.2.1负阻特性振荡器

本文中压控振荡器使用负阻LC振荡器结构。负阻LC振荡器可看作是一个能量补偿系统。可将振荡器看作一个LC谐振回路与呈现负阻特性的有源电路相接。使振荡器获得稳定输出，

阻抗匹配分析法常用于负阻LC振荡器。当信号源所驱动电路的输入阻抗和信号源阻抗共轭时，从信号源吸收的功率才能达到最大值，这时达到了输入阻抗匹配条件；同理，只有当电路的输出阻抗与该电路的负载阻抗共轭时，负载从电路吸收的功率才能最大，电路达到了输出阻抗匹配条件。

如图4，VG为信号源电压，ZS为信号源阻抗，ZIN为信号源所驱动电路的输入阻抗。ZS＝RS+jXS, ZIN＝ZS*是阻抗匹配的条件。负阻LC振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件（或电路）直接与LC谐振回路相接，以产的关系如下所示。

A、当Rn>Rp时，振荡器输出呈现衰减振荡，如图6所示。

B、当rn

C、当rn=Rp时，振荡器输出呈现等幅振荡，如图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

仿真的结果波形为：

通过变容二极管，调整回路的品质因子，来改进振荡器的性能。主要是分析外部LC部分负载阻抗与差分电路部分输出阻抗的阻抗匹配。图11为本设计VCO谐振回路的电路。谐振部分以外的电路是为了提高稳定性而采取的滤波电路。

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2.2.3跨导与阻抗的匹配

Rp是谐振回路的等效阻抗，电感Lp的作用是给差分结构晶体管提供偏置电流。为了保证振荡，使负阻和平均阻抗绝对值等于Rp，一般将晶体管的跨导gm取为1/Rp的五到六倍之间，即设计余量因子为2.5－3。可以根据gm=i/u, 计算不同温度时的跨导。通过对其直流分量的测量而确定振荡器起振时的偏置电流。其典型值如下表1所示。

从结果中发现，25℃左右温度下跨导值相对稳定，而在-40℃以下或40℃以上时跨导值有1mA/v左右的变化；体现在直流分量上就是10uA左右。说明在-40℃以下或40℃以上条件下，振荡器的起振电流条件不稳定。本电路的振荡器部分采用双极晶体管工艺，电路对温度有明显的反映，直接导致的结果就是在75℃高温时的振荡器不能起振。因此，应慎重从设计及工艺角度来优化设计。

2.3调谐部分的设计

调谐部分的难点是可编程分频器，分频器是锁相环电路中的基本单元．是锁相环中工作在最高频率的单元电路。按照设计的要求，本电路采用13位可编程分频器。分析结果表明它的分频值是在要求范围之内变化的。

2.3.1理论要求

在FM广播波段中，接收频率范围是76MHz－108MHz，而每个电台的波段为200K，最大保持频段为150K。所以每隔200K的频率就会有一个可能的电台波段。射频信号经低噪声放大器后，和LO信号一同进入混频器进行差频，得到中频225K，中频作为新的载波携带音频信号进入到下一级进行声频信号调制。

在PLL频率调谐系统中，为了调节VCO的振荡频率，通过一个可编程分频器来实现调节的第一步。13位可编程分频器分频值的十进制表示可由下式给出。

FVCO, PLL值表示的是分频器实际需要的十进制分频值，这个值得到后要进行四舍五入的处理，然后根据这个分频值对分频器进行设计。表2为调谐系统中有关数值的传输过程。

2.3.2分析设计过程

可编程分频器

频率调谐部分的设计首先要从可编程分频器开始，VCO的输出直接与分频器第1级÷2/3电路相连，这是整个分频器中频率最高的部分，接着信号进入÷4/6双模前置分频器，该部分电路的频率仍然较高，依次类推，这些单个模块的分频器要受输入控制端D端的控制来确定与之对应的分频值，分频后和我们需要的基准频率32768Hz来进行比较。

选取标准频道76MHz来进行分析，把76MHz时的十进制分频值4652换算成二进制值为上边频，则D0-D12这13个二进制值就是控制分频器分频值的控制端，可以完成调节不同分频值来锁定我们所需要的收音频道。完成这个设计，首先要找到分频器各模块之间与D0-D12数值之间的关系，提出分频值的算法。

因为所有的分频模块中都可能有两种分频值（因为D值存在高电平1和低点平0两个输入模式）我们可以先得到各模块的一个基本分频规律，就是2的n次方，在不考虑D值的情况下，分频模块要基本保证2分频。而根据76M到108M的频率范围，可以确定分频器的分频值在4000到6700的范围内，这样就能确定n的具体数值为12（2的12次方为4096），所以我们至少要采用12个分频模块来完成设计要求。

其次我们要找到分频模块的具体算法：

因为是否是3分频是由D端的数值来确定，所以我们需要用D值来表示是否是3分频，可以假设当D值等于1时，单个模块的分频值应是3分频，当D值等于0时，单个模块的分频值应是2分频，这样我们就可以根据二进制转换十进制的逻辑写出可编程分频器分频比的基本算法：

通过以上的基本算法，我们就可以采用具体的分频器来搭配13位可编程分频器，本文设计的可编程分频器由双模分频器构成，如图12。

CK和CKB是差分时钟信号，CTRL是分频控制信号，CTRL=1时电路作2分频；CTRL=0时作3分频；

电路的仿真结果如下：

根据我们所设计的需要采用12个分频模块，则由双模分频器组成的可编程分频器电路结构可设计为图14所表示电路图。

电荷泵

在PLL电路中，电荷泵的主要功能是把PFD输出的数字信号转换为用来控制VCO输出频率的模拟信号。传统的电荷泵为了达到高速，往往以牺牲精度为代价。

本文设计的电荷泵采用两种调节，大大缩短了响应时间，既提高了锁相环的速度，又保证了锁相环的精度。电路原理如图15所示。

采用双电荷泵结构，上面用于微调，下面用于粗调。实际电路结构如图16所示，为降低噪声影响采用差分方式输入，通过对A,AN;B,BN两组差分信号对进行放大，为电荷泵的有源负载提供偏置。Q2、Q3、Q6、Q8、Q9根据鉴相器的输出信号来决定它们的开启或关闭，实现电荷泵的充电或放电功能。

对电压和电流特性的仿真结果如图17所示。

从仿真图可以看出，当PFD有信号输出时，电荷泵是逐级对VCO进行调整，在开始阶段之前的9ms，粗调和微调两电路同时工作，之后粗调电路开启，细调电路关闭，粗调电路的拉电流和灌电流很大，约为40uA，电荷泵输出电压控制VCO到所需的大概频率段上；当PFD输出信号减弱后，电荷泵微调电路开启，拉电流和灌电流降低约为1uA左右，微调输出控制VCO在较精准的频率上，直到PFD没有信号输出，电荷泵粗调和细调都被关闭。系统就会锁定我们需要的频率。电荷泵的设计是整个电路低功耗设计的重点。

3结论

本文设计了一个应用于数字调频接收机频率调谐系统的电路，解决了对可编程分频器设计和改进电荷泵的问题。根据设计的电路，测试数字调谐系统的理论计算值与实际仿真值并作比较，如图18所示。

本设计LO输出的误差范围在8Hz－8.5KHz之间，符合误差小于10KHz的设计要求。对本设计而言，基准频率32.768KHz的选取，是因为这个频率的晶振功耗小，但对系统的精度有影响，要寻求更高的精度，需要在功耗和精度之间做优化。电路功耗的检测从对整体数字调谐系统的实际仿真得出，仿真的结果是：2.5V电源下，在76MHz到108MHz的频率范围内，系统的平均功耗为 5.5mw，符合设计的要求。

射频电路的设计，主要是通过对网络匹配的分析，来满足系统的设计要求。

参考文献

[1][美]Behzad Razavi著，陈贵灿译：《模拟CMOS集成电路设计》p413-415,西安交通大学出版社，2003

[2]池保勇，余志平，石秉学著，《CMOS射频集成电路分析与设计》p55-p73,p348-p383,清华大学出版社，2003

[3][美]Roland E.Best著，《Phase-Locked Loops》chapter2,清华大学出版社，2003

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[6]王宝祥著，《信号与系统》chapter1,哈尔滨工业大学出版社，2000

[7]童诗白，华成英著，《模拟电子技术基础》p387-p406，高等教育出版社，2000

作者简介

王鸿鹏，硕士研究生，研究方向：集成电路设计研究；

郭宇，北京美新华微电子技术有限公司技术工程师，研究方向：集成电路设计研究；

石广源，辽宁大学物理学院教授，集成电路及半导体器件的教学研究；

第9篇：集成电路研究方向范文

关键词：整数除法；Verilog；处理速度；精确度

中图分类号：TN402文献标识码：B

文章编号：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

基金项目:教育部“优秀青年教师资助计划”(教人司［2003］355)；留学回国人员科研启动基金；2006年度教育部博士点基金项目；贵州省优秀青年科技人才培养计划基金(合同号：黔科合人字No.2013)

0 引 言

除法器是电子技术领域的基础模块，在电子电路设计中得到广泛应用。目前，实现除法器的方法有硬件实现和软件实现两种方法。硬件实现的方法主要是以硬件的消耗为代价，从而有实现速度快的特点。用硬件的方法来实现除法器的研究很多，如利用微处理器实现快速乘除法运算，FPGA实现二进制除法运算，模拟除法器等［1-5］；而通过软件实现的除法器算法，可以大大提高器件的工作频率和设计的灵活性，可以从总体上提高设计性能，而设计高效实用的算法是除法器的关键，故除法器的算法研究成为现今热点。

目前，软件方面主要是通过减法算法来实现除法运算，把被除数作为被减数,除数作为减数，作减法，直到被减数小于减数为止,记录能够相减的次数即得到商的整数部分。将所得的余数乘以10 作为被减数,除数作为减数,作减法,差重新置入被减数,反复相减,直到被减数小于减数为止,记录能够相减的次数即得到商的十分位数值。依此继续下去,可得到商的百分位数值,千分位数值，……,要精确到哪一位,就依次做到哪一位［6,7］。此方法的缺点是速度慢，而且最后一位的精度不高，为了克服以上的缺点，这里设计一种算法在软件上改进了除法器运算的准确性和处理速度。

1 设计方法

对于任意给定的两个整数fenzi和fenmu，设fenzi为被除数，fenmu为除数。为了得到两个数相除的十进制结果，本设计主要通过下面的算法来实现，假如要保留小数点后面的n位有效数字，首先把fenzi乘以10的n次方，赋值给寄存器变量data0；接着把fenmu分别乘以10的(n+m)，(n+m -1)，(n+m -2),…,1，0次方分别赋值给(n+m+1)个不同的变量data(n+m+1),data(n+m),…,data1，其中m是fenzi和fenmu的位数之差(当fenzi的位数多于fenmu时，m为正，否则为负)；先求出商的最高位的值，如果data0大于data(n+m+1),则计数器自动加1，再把data0和data(n+m+1)的差值赋给data0，再相减直到data0的值小于data(n+m+1)，此时计数器的计数值就是最高位的值；依此用同样的方法继续下去，就可得到各个位上的值［8-10］。对最后一位进行四舍五入处理，当相减后的data0＜data1时，再通过比较data0*2是否大于data1，如果大于data1，则最后一位计数器的值加1，否则不变，最后把得到的整体值除以10的n次方，也就是小数点往左移动n位。传统除法算法由于采用多次相减的过程来实现，相减的过程耗费了大量时钟脉冲，而且对运算结果的最后一位没有进行处理；而本设计是通过采用位扩展使除数和被除数位数相同，进而对每一位进行分开处理，减少了做减法运算的次数，从而提高运算速度；同时采用四舍五入的方法对运算结果进行处理，提高准确性。

上面算法是一种顺序方式，用Verilog硬件描述语言很容易实现，图1为流程图，其中假定fenzi为3位的整数，fenmu为2位的整数，除法运算精确到百分位。

2 仿真结果及分析

对上述的流程图用Verilog描述语言编程，在Cadence的NC-Verilog仿真器下仿真，设输入的fenzi和fenmu的值分别为128和11，仿真波形如图2所示。

从图2的波形可以看出，输出结果为1 164，除法运算要精确到百分位，所以往左移动2位，其最终的值为11.64，而实际的值为11.636 36……，经过四舍五入得到的结果完成正确。从仿真时间来看，对于相同的数值输入，本设计只用了12个脉冲，而普通除法器至少需要20个脉冲(128/11=11余7,70/11=6余4,40/11=3余7，11+6+3=20)，相比之下本设计的除法算法有很大的优势。

然而对于两个位数相差很大的数相除，则本设计的速度优势更加的明显，本设计每一位的运行时间都不会超过9个时钟脉冲，因此进行n位计算的总脉冲也不会超过9n个，而传统的除法运算需要多个时钟脉冲，一般会是本设计时钟脉冲的数倍。该算法同样适合小数的运算，只要把小数化成整数，再做同样的处理，就可以得到精确的结果。

3 结 语

通过对除法器算法的改进，用四舍五入的方法对数据进行处理，使得到的结果准确性有了进一步的提高；运用移位、循环减法，实现数据的高速运算，并能任意设定计算的精度。运用此方法在软件方面设计除法器对速度和准确性的提高有积极意义。

参考文献

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作者简介 叶显阳 男，1982年出生，浙江人，微电子学与固体电子学专业，贵州大学在读研究生。研究方向为数字集成电路。

张海勇 男，1981年出生，河北人，微电子学与固体电子学专业，贵州大学在读研究生。研究方向为数字集成电路。