纳米级超低功耗CMOS集成电路与SoC技术研究

随着工艺尺度的持续演进和健康监护、物联网等各类新型应用场景的不断涌现，发展超低功耗集成电路和SoC技术称为学术界和工业界的广泛共识。本项目围绕纳米工艺条件下微瓦级片上系统的若干技术瓶颈问题展开研究，提出了系统解决途径，形成了一套完整的微瓦级SoC设计方法。在低功耗、低电压的模拟、射频、数字电路，自供能技术，μW-SoC体系结构和芯片实现技术等方面取得了丰硕成果。提出了超低功耗SAR ADC的一系列电路技术，实现了一种参数可配置、功耗可变（6-10位0.5V-0.9V）的SAR ADC，为生物医电芯片的高效设计提供重要支撑。设计了双环反馈C类CMOS压控振荡器，实现了4.55 GHz到5.16 GHz的频率调谐范围，2.78mW的功耗和-192.8dB 的FOM值，解决了前端集成WBAN低功耗载波的科学问题。设计了三值绝热JKL触发器、三值低功耗多米诺JKL触发器、三值绝热多米诺T运算电路、三值绝热多米诺可逆计数器和三值绝热乘法器等新型绝热电路，为超低功耗逻辑电路的设计探索了新途径。提出了超低电压SRAM存储器的新电路、新结构，实现了0.39V供电电压下的稳定工作。提出了多种超低功耗的生物信号处理与压缩算法，通过降采样小波滤波和基于NLSPIHT（无链表多级树集合分裂）的1.5维数据压缩，大幅度提升信号处理与传输过程的能量效率。最后，基于高能效的体系结构实现了各项关键技术的系统集成，面向心电、脑电健康监护完成了μW-SoC芯片的流片测试。本项目执行了预期的各项研究计划，产出了大量高水平的学术论文和发明专利，所突破的各项关键技术对超低功耗集成电路与SoC芯片发展将发挥重要的推动作用。 2100433B

本课题主要针对未来纳米工艺条件下微瓦级片上系统芯片的若干关键技术瓶颈问题开展研究，致力于提出一套完整的微瓦级SoC设计方法学及其关键技术的系统解决途径。课题研究的关键技术包括微瓦级SoC体系结构、系统功耗优化方法，超低电压射频与模拟电路，超低功耗异步与绝热逻辑数字电路。最终课题将纳米级工艺节点上设计实现一款面向人体局域网应用的SoC芯片，对上述关键技术进行全面的测试验证。

双极-CMOS集成电路(BiCMOS)双极-CMOS集成电路(BiCMOS)由双极型门电路和互补金属-氧化物——半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起，兼有高密度 、低功耗和高速大驱动能力等特点。

高性能BiCMOS电路于20世纪80年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模/数混合电路，用于系统集成。有人预言，BiCMOS集成电路是继CMOS集成电路形式之后最现实的下一代高速集成电路形式。

CMOS集成电路的工艺；CMOS模拟集成电路的基本组成单元MCOS器件；CMOS模拟集成电路中的各种电路模块：基本放大器、恒流源电路、差分放大器；集成电路的应用：包括运算放大器、开关电流技术、集成电压比较器、数/模转换与模/数转换电路以及相乘器等；最后介绍CMOS数字集成电路的相关知识。书中配备了大量的PSpice仿真分析。

第1章 CMOS集成电路工艺流程

1.1 前言

1.2 MOS集成电路的基本制造工艺过程

1.2.1 晶圆

1.2.2 氧化

1.2.3 扩散与离子注入

1.2.4 淀积

1.2.5 光刻与刻蚀

1.2.6 隔离技术

1.2.7 连接接触

1.3 N阱CMOS制造过程

1.3.1 3种主要的CMOS设计结构

1.3.2 N阱CMOS制作流程

1.4 BiCMOS制作工艺

思考题与习题

第2章 基本MOS器件

2.1 MOS晶体管器件

2.1.1 MOS晶体管结构与几何参数

2.1.2 MOS管的阈值电压VGS（th）

2.1.3 MOS晶体管的工作原理

2.1.4 二阶效应

2.2 MOS器件模型

2.2.1 MOS晶体管的小信号模型（Spice Level 1）

2.2.2 MOS晶体管的大信号模型（Spice Level 2）

2.2.3 MOS晶体管的（Spice Level 3）模型

2.2.4 MOS场效应管Pspice模型参数

2.3 电阻与电容

2.3.1 电阻

2.3.2 电容

2.4 短沟道效应

2.4.1 等比例缩小理论

2.4.2 短沟道效应

2.5 闩锁效应

思考题与习题

第3章 MOS集成电路

3.1 MOS单级放大电路

3.1.1 共源极放大器

3.1.2 共漏极放大器

3.1.3 共栅极放大器

3.2 MOS差分放大电路

3.2.1 MOS差分对管的直流转换特性

3.2.2 MOS差分对管的跨导

3.2.3 MOS差分对管的失调特性

3.3 CMOS单级放大电路

3.3.1 输入一输出电压传输特性

3.3.2 交流小信号电压增益

3.4 CMOS差分放大电路

3.4.1 电路类型

3.4.2 CMOS差分放大器的主要性能

3.5 CMOS互补输出电路

3.6 电流源电路

3.6.1 基本镜像电流源

3.6.2 比例电流源电路

3.7 CMOS模拟集成电路

3.7.1 概述

3.7.2 CMOS运放基本电路

3.7.3 CMOS模拟集成电路的PSpice宏模型

3.8 BiCMOS电路

3.8.1 BiCMOS基本放大电路

3.8.2 BiCMOS差分放大电路

3.8.3 BiCMOS集成运算放大器

3.9 频率特性

3.9.1 基本概念

3.9.2 基本分析方法——复频域分析法

3.9.3 用开路、短路法确定转折频率

3.9.4 反馈放大器的频率响应与稳定性

思考题与习题

第4章 CMOS集成电路应用

4.1 CMOS集成运算放大器

4.1.1 CMOS集成运算放大器

4.1.2 CMOS集成运算放大器应用电路举例

4.2 CMOS集成电压比较器

4.2.1 CMOS自稳零电压比较器工作原理

4.2.2 5G14574四电压比较器

4.3 CMOS集成乘法器

4.3.1 模拟乘法器的基本概念及其主要特性

4.3.2 MOS模拟集成乘法器的工作原理

4.4 D/A与A/D转换电路的基本原理及其特性

4.4.1 D/A转换电路

4.4.2 A/D转换电路

思考题与习题

第5章 开关电流电路

5.1 模拟开关电路

5.1.1 概述

5.1.2 NMOS开关电路

5.1.3 CMOS开关电路

5.2 开关电容电路的工作原理

5.2.1 并联开关电容模拟电阻

5.2.2 串联开关电容模拟电阻

5.3 开关电容电路的基本模块

5.3.1 开关电容分压器

5.3.2 开关电容滤波器

5.3.3 开关电容积分器

5.3.4 开关电容放大器

5.4 开关电流技术

5.4.1 电流存储与延迟

5.4.2 开关电流积分器

5.4.3 开关电流微分器

5.4.4 开关电流滤波器

思考题与习题一

第6章 CMOS数字集成电路

6.1 概述

6.2 CMOS集成门电路

6.2.1 CM0S门电路

6.2.2 CMOS门电路的特性

6.2.3 高速和超高速CMOS电路

6.2.4 使用CMOS门电路应注意的问题

6.2.5 PSpice软件在CMOS门电路仿真中的应用

6.3 BiCMOS逻辑电路

6.3.1 BiCMOS门电路

6.3.2 BiCMOS门电路的外部特性

6.3.3 BiCMOS门电路的PSpice仿真

6.4 数字CMOS组合逻辑电路

6.4.1 编码器

6.4.2 译码器

6.4.3 数据选择器

6.4.4 运算器

6.4.5 数字组合逻辑电路的PSpice仿真

6.5 CMOS集成触发器和集成时序逻辑电路

6.5.1 集成触发器

6.5.2 集成电路计数器

6.5.3 寄存器和移位寄存器

思考题与习题

附录 PSpice简明手册

附录1 概述

附录2 电路输入文件中的语句

参考文献