CMOS电路设计、布局与仿真

CMOS电路设计、布局与仿真 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:人民邮电出版社
作者:贝克
出品人:
页数:366
译者:刘艳艳
出版时间:2008-5
价格:59.00元
装帧:
isbn号码:9787115176851
丛书系列:图灵电子与电气工程丛书
图书标签:
  • 仿真
  • 集成电路
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具体描述

《CMOS电路设计、布局与仿真(第2版·第2卷)》是CMOS集成电路设计领域的一部力作,是作者20多年教学和研究成果的总结,内容涵盖电路设计流程、EDA软件、工艺集成、器件、模型、数字和模拟集成电路设计等诸多方面,由基础到前沿,由浅入深,结构合理,特色鲜明。

《CMOS电路设计、布局与仿真(第2版·第2卷)》对学生、科研人员和工程师各有所侧重。无论对于哪一种类型的读者而言,《CMOS电路设计、布局与仿真(第2版·第2卷)》都是一本极好的参考书。

《新型半导体材料与器件物理》 第一章:引言:半导体科技的演进与未来方向 本章旨在为读者勾勒出当前半导体技术发展的大致图景,并着重强调向新一代材料与器件转型的必要性与紧迫性。 1.1 半导体技术的发展脉络回顾:从锗到硅的飞跃,以及硅基技术的性能瓶颈。 1.2 摩尔定律的挑战:尺寸缩小带来的物理极限与功耗难题。 1.3 新兴半导体材料的分类与特性概述:包括III-V族化合物半导体、二维材料(如石墨烯、过渡金属硫化物)、以及宽禁带半导体(如GaN、SiC)。 1.4 为什么需要新的器件结构:超越CMOS的器件需求分析。 第二章:宽禁带半导体材料基础 本章深入探讨目前在功率电子和高频应用中极具潜力的宽禁带材料的晶体结构、电子特性及其制备工艺。 2.1 氮化镓(GaN)的物理特性:高电子迁移率、高击穿电场与热力学稳定性。 2.1.1 GaN的晶体结构与缺陷控制。 2.1.2 异质结结构(HEMT)的形成机理与二维电子气(2DEG)的产生。 2.2 碳化硅(SiC)的优势与应用领域:尤其关注其在电动汽车和电网中的应用潜力。 2.2.1 SiC的多型变体(多型)及其对器件性能的影响。 2.2.2 衬底材料的选择与制备对器件性能的制约。 2.3 氧化镓(Ga₂O₃)作为超宽禁带半导体的前景分析。 2.3.1 β-Ga₂O₃的能带结构与高击穿电压潜力。 2.3.2 现有生长技术(如 असं-LEC、MOCVD)的局限性。 第三章:二维材料的电子特性与器件构想 二维材料因其原子级的厚度,为实现极低功耗和高密度集成提供了全新的物理平台。本章重点解析关键二维材料的电子输运机制。 3.1 石墨烯(Graphene)的基础电子学:零带隙特性与狄拉克锥。 3.1.1 石墨烯的制备方法(化学气相沉积CVD、机械剥离)及其质量评估。 3.1.2 石墨烯在射频器件中的应用瓶颈——缺乏有效开关特性。 3.2 过渡金属硫化物(TMDs):实现可调控带隙的潜力。 3.2.1 MoS₂和WS₂的单层与多层结构的光电特性差异。 3.2.2 场效应晶体管(FET)中的载流子迁移率限制因素分析。 3.3 拓扑绝缘体:低功耗自旋电子学器件的基石。 3.3.1 表面态与体态的区分及其电子行为。 第四章:面向未来计算的新型存储器技术 随着传统SRAM/DRAM面临的功耗墙,非易失性存储器(NVM)的研究成为热点。本章聚焦于新兴的存储器原理。 4.1 阻变存储器(RRAM/Memristor):工作机理与忆阻效应的物理基础。 4.1.1 离子漂移/迁移模型及其在不同氧化物中的实现。 4.1.2 RRAM的阵列集成与读写干扰问题。 4.2 磁性随机存取存储器(MRAM):自旋转移矩(STT)与自旋轨道矩(SOT)的驱动机制比较。 4.2.1 磁隧道结(MTJ)的优化:隧穿磁阻(TMR)的提升策略。 4.2.2 MRAM的能效分析与读操作的功耗挑战。 4.3 相变存储器(PCM):硫族玻璃材料的快速相变动力学。 4.3.1 电阻切换过程中的局部加热与相变阈值控制。 第五章:光电集成与硅基光电子学 在高速通信与片上光互连(OIC)的驱动下,光电子器件的集成度与效率成为关键。 5.1 硅基光电子学的核心挑战:硅材料缺乏有效的光发射能力。 5.2 基于III-V族材料的集成光源: 5.2.1 异质集成技术:键合(Bonding)与外延生长策略的优劣比较。 5.2.2 垂直腔面发射激光器(VCSEL)在硅光子学中的应用。 5.3 硅基光调制器:载流子束缚效应与PN结调制。 5.3.1 马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型调制器的高速性能极限。 第六章:先进器件结构与仿真方法 本章将从物理和数学建模的角度,探讨如何设计和验证新型半导体器件的性能。 6.1 晶体管结构革新:FinFET到GAA(Gate-All-Around)结构的演变。 6.1.1 亚10纳米节点下的静电控制能力评估。 6.1.2 垂直器件结构(如VDMOS)中的电流拥塞效应分析。 6.2 载流子输运的量子效应模型: 6.2.1 载流子输运的模糊性:从漂移扩散模型到玻尔兹曼输运方程(BTE)。 6.2.2 BTE在超短沟道器件中的应用与求解困难。 6.3 器件级(Device-Level)仿真工具与方法: 6.3.1 有限元法(FEM)在电磁场与热场耦合分析中的应用。 6.3.2 基于蒙特卡洛(Monte Carlo)方法的统计输运模拟。 第七章:可靠性与制造工艺的交叉领域 新材料和新结构的引入对器件的长期可靠性和制造的可重复性提出了更高的要求。 7.1 材料界面与缺陷对器件寿命的影响: 7.1.1 离子迁移与电迁移在新型器件中的表现。 7.1.2 晶格失配和界面应力引起的失效机制。 7.2 极紫外光刻(EUV)在先进制造中的地位与挑战。 7.2.1 掩膜缺陷检测与修复技术。 7.2.2 关键尺寸(CD)均匀性的控制。 7.3 异质集成中的热管理: 7.3.1 不同材料的热膨胀系数不匹配导致的应力积累。 7.3.2 局部热点(Hot Spot)的识别与散热封装技术。 附录: 附录A:常用半导体材料的带隙、有效质量参数表 附录B:半导体器件物理基本方程的推导 附录C:器件级仿真软件接口与脚本示例(不涉及电路级仿真工具)

作者简介

R.Jacob Baker 博伊西州立大学电子工程系教授、系主任。他讲授多门CMOS模拟和数字电路设计课程,并是该领域的国际顾问。Baker博士曾供职于E.G.&G.能量测量公司、Lawrerice Livermore国家实验室和Micron Semiconductor。公司,有8年的业界工作经验。他把业界的经验带进了课堂,并于2000年获lEEE最佳论文奖。他的个人主页是:http://cmosedu.com/jbaker/jbaker.htm。

目录信息

第1章 电流镜 1 1.1 基本电流镜 1  1.1.1 长沟道设计 1  1.1.2 电流镜中电流的匹配 3  1.1.3 电流镜的偏置 8  1.1.4 短沟道设计 14  1.1.5 温度特性 18  1.1.6 亚阈值区的偏置 22 1.2 共源共栅电流镜 23  1.2.1 简单共源共栅 24  1.2.2 低压(宽摆幅)共源共栅 26  1.2.3 宽摆幅,短沟道设计 29  1.2.4 调节漏极电流镜 31 1.3 偏置电路 33  1.3.1 长沟道偏置电路 33  1.3.2 短沟道偏置电路 36  1.3.3 小结 38 延伸阅读 39 习题 40第2章 放大器 42 2.1 栅-漏短接有源负载 42  2.1.1 共源放大器 42  2.1.2 源跟随器(共漏放大器) 53  2.1.3 共栅放大器 53 2.2 电流源负载放大器 54  2.2.1 共源放大器 54  2.2.2 共源共栅放大器 68  2.2.3 共栅放大器 72  2.2.4 源跟随器(共漏放大器) 72 2.3 推挽放大器 79  2.3.1 直流工作与偏置 80  2.3.2 小信号分析 83  2.3.3 失真 84 延伸阅读 87 习题 88第3章 差分放大器 90 3.1 源端耦合对 90  3.1.1 直流工作 90  3.1.2 交流工作 95  3.1.3 共模抑制比 98  3.1.4 匹配考虑 101  3.1.5 噪声 103  3.1.6 摆率限制 103 3.2 源端交叉耦合对 104 3.3 共源共栅负载(套筒式差分放大器) 109 3.4 宽摆幅差分放大器 112  3.4.1 电流差分放大器 113  3.4.2 恒定跨导差分放大器 113 延伸阅读 116 习题 116第4章 电压基准源 120 4.1 MOS管-电阻型电压基准源 120  4.1.1 电阻-MOS管型分压器 121  4.1.2 MOS型分压器 124  4.1.3 自偏置电压基准源 124 4.2 寄生二极管型基准源 130  4.2.1 长沟道BGR设计 134  4.2.2 短沟道BGR设计 141 延伸阅读 144 习题 144第5章 运算放大器Ⅰ 146 5.1 二级运放 146 5.2 带输出缓冲器的运算放大器 165 5.3 运算跨导放大器 168 5.4 增益提升 179 5.5 几个实例及讨论 184 延伸阅读 194 习题 195第6章 动态模拟电路 199 6.1 MOS开关 199 6.2 全差分电路 205 6.3 开关电容电路 210 6.4 电路实例 220 延伸阅读 225 习题 226第7章 运算放大器Ⅱ 228 7.1 基于功耗和速度选择偏置 228  7.1.1 器件特性 228  7.1.2 偏置电路 229 7.2 基本概念 231 7.3 基本运算放大器设计 239 7.4 采用开关电容CMFB的运算放大器设计 258 延伸阅读 267 习题 268第8章 非线性模拟电路 271 8.1 基本的CMOS比较器设计 271  8.1.1 比较器特性 277  8.1.2 钟控比较器 280  8.1.3 再论输入缓冲器 281 8.2 自适应偏置 282 8.3 模拟乘法器 284  8.3.1 四管乘子 285  8.3.2 采用平方电路实现乘法器 289 延伸阅读 290 习题 290第9章 数据转换器基础 292 9.1 模拟信号和离散时间信号 292 9.2 模拟信号转换为数字信号 293 9.3 采样-保持性能指标 295 9.4 数模转换器的性能指标 298 9.5 模数转换器的性能指标 304 9.6 混合电路的版图问题 313 延伸阅读 317 习题 317第10章 数据转换器架构 319 10.1 DAC架构 319  10.1.1 数字输入编码 319  10.1.2 电阻串DAC 319  10.1.3 R-2R梯形网络DAC 324  10.1.4 电流导引DAC 326  10.1.5 电荷比例DAC 329  10.1.6 循环DAC 333  10.1.7 流水线DAC 334 10.2 ADC架构 336  10.2.1 全并行ADC 336  10.2.2 两步全并行ADC 339  10.2.3 流水线ADC 343  10.2.4 积分ADC 346  10.2.5 逐次逼近ADC 350  10.2.6 过采样ADC 354 特别感谢 361 延伸阅读 361 习题 363
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读后感

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用户评价

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这本书在探讨CMOS电路的功耗优化方面,简直是一位节能的“环保主义者”,它提供了多种多样的策略,帮助我在设计中最大限度地降低能耗。我印象最深刻的是关于动态功耗和静态功耗的详细分析,以及它们各自的来源和影响因素。作者不仅仅是列举了功耗优化的方法,而是深入地解释了每种方法的原理,以及在实际设计中如何权衡和应用。例如,关于时钟门控、低功耗状态设计、阈值电压优化等技术,都被阐述得非常透彻。我通过这本书,学会了如何识别电路中的功耗“黑洞”,并且掌握了相应的“治理”手段。这对于我从事对功耗要求极高的移动设备和物联网设备设计,具有非常直接和重要的指导意义。我感觉自己仿佛掌握了一套“省电秘籍”,能够让我的电路设计更加绿色环保。

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在仿真这一块,这本书就像一个经验丰富的软件工程师,教会我如何与各种强大的工具“对话”。它不仅仅是简单地介绍几个仿真软件的界面和基本操作,而是深入地阐述了仿真在CMOS电路设计流程中的核心作用,以及如何通过仿真来验证设计、优化性能、定位问题。作者对仿真模型的选择、仿真参数的设置,以及如何解读仿真结果,都进行了详尽的指导。我尤其对书中关于瞬态仿真、直流仿真、交流仿真等不同仿真类型的应用场景的讲解印象深刻,让我明白了在不同的设计阶段,应该选择何种仿真方式。书中通过实例展示了如何利用仿真来分析电路的功耗、时序、噪声等关键指标,这对于我实际项目的设计具有极大的指导意义。我感觉自己仿佛变成了一名“侦探”,通过仿真这个“显微镜”,能够细致地观察电路的每一个“动作”,找出潜在的“病灶”。

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这本书在探讨CMOS电路的测试与调试时,就像一位经验丰富的“侦探”,它揭示了如何通过各种测试手段来验证电路的功能,并快速定位和解决潜在的问题。我印象最深刻的是关于测试向量的生成、扫描链设计以及边界扫描技术的讲解。作者详细地阐述了这些技术在实际测试中的应用,以及如何通过高效的测试策略来降低测试成本、提高测试效率。我明白了,即使设计得再完美,也需要通过严格的测试来最终确认其性能和可靠性。我感觉自己仿佛拥有了“诊断仪”,能够迅速地发现电路中的“故障”,并找到“病因”。

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这本书就像一本穿越时光的百科全书,带我回顾了CMOS电路设计的历史演进,那些在技术发展史册上闪耀的名字和里程碑式的发明,在作者笔下重新焕发了生机。我沉浸其中,惊叹于人类智慧的伟大,也更加深刻地理解了CMOS技术为何能成为现代电子工业的基石。作者在描述早期CMOS电路设计时,那种筚路蓝缕的精神,仿佛将我带回了那个充满挑战与创新的年代。他对晶体管尺寸不断缩小、集成度不断提高的历程的梳理,让我看到了技术革新背后巨大的努力和无数的智慧结晶。虽然我并非专门研究CMOS技术史的学者,但通过这本书,我得以窥见这一核心技术的成长足迹,这对于我理解当前的CMOS技术现状和未来发展趋势,有着不可估量的意义。我尤其喜欢作者对于不同设计理念和方法论的比较,它们之间的优劣势以及在不同历史时期所扮演的角色,都被描绘得生动形象。这种历史的视角,让我对CMOS电路设计的理解更加全面和深刻,不再局限于某个孤立的技术点。读完这部分,我仿佛觉得自己不仅仅是在学习一项技术,而是在理解一个不断发展的生态系统,它如何孕育出我们今天所依赖的各种电子产品。

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这本书对CMOS电路的时序分析与优化部分,就像一位精准的“时间管理者”,它深入揭示了影响电路速度的各个因素,并提供了系统性的解决方案。我最受益的是对建立时间和保持时间的深入剖析,以及如何通过各种技术手段来满足时序要求。作者不仅仅是讲解了理论,更是通过大量的图示和例子,生动地展示了时序违例的发生机制,以及如何利用静态时序分析(STA)工具来定位和解决问题。我学会了如何通过调整电路结构、优化布局布线、选择合适的工艺参数等方式来提高电路的时钟频率,缩短传播延迟。这对于我从事高性能计算和高速通信等领域的电路设计,至关重要。我感觉自己仿佛拥有了“预知能力”,能够提前发现潜在的时序瓶颈,并提前进行优化。

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在CMOS电路的版图设计与验证环节,这本书就像一位精细的“建筑工人”,它详细地介绍了从电路原理图到最终物理版图的转换过程,以及如何进行严格的验证。我受益匪浅的是关于设计规则检查(DRC)、版图与原理图一致性检查(LVS)的详细讲解。作者通过生动的实例,展示了这些检查的重要性,以及如何利用EDA工具来完成这些任务。我明白了,任何一个微小的疏忽,都可能导致芯片无法制造或性能不达标,而这些验证步骤,就是确保设计质量的“最后一道防线”。我感觉自己仿佛拥有了“透视眼”,能够看穿版图的每一个细节,确保其与设计目标完全一致。

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这本书在介绍CMOS电路的布局方面,就如同一个经验丰富的城市规划师,将复杂的设计变成了一张张清晰的蓝图。它并没有仅仅停留在理论层面,而是深入到实际的版图设计中,提供了大量实用的技巧和注意事项。我尤其欣赏作者在讲解布局布线规则时的细致,从最小线宽、间距,到过孔的连接方式,再到电源和地线的规划,每一个细节都得到了充分的强调。书中关于寄生电阻和寄生电容的布局影响的分析,让我深刻认识到,一个小小的布局失误,就可能对电路的性能造成巨大的影响。作者通过大量的实例,展示了如何通过合理的布局来优化电路的性能,例如如何减少信号线之间的串扰,如何降低功耗,如何提高时序的稳定性。我感觉自己仿佛在学习一门艺术,学习如何在有限的版图空间内,创造出既高效又稳定的电路。书中对ESD(静电放电)防护的布局策略的探讨,也极具价值,这对于保护电路免受静电损伤至关重要。

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这本书的开篇就如同一位经验丰富的老友,娓娓道来CMOS电路设计的奥秘,篇幅虽不多,却字字珠玑。它并非那种枯燥的技术手册,而是巧妙地将理论与实践相结合,让你在轻松的阅读中,潜移默化地掌握了电路设计的基本原理。尤其是书中对各种工艺模型的介绍,深入浅出,配合着清晰的图示,仿佛我真的置身于半导体工厂,亲眼见证着硅晶片上的电路是如何一步步雕琢而成。我尤其欣赏作者在解释抽象概念时的生动比喻,让那些原本复杂难懂的术语变得鲜活起来,比如将寄生效应比作电路中的“小麻烦”,将功耗比作“能量的消耗”,这些形象的比喻极大地降低了学习门槛。书中对于不同类型CMOS电路的结构和工作原理的阐述,也相当到位,从最基础的CMOS反相器,到更复杂的组合逻辑和时序逻辑电路,都进行了详尽的剖析。作者的叙述逻辑清晰,循序渐进,即使是初学者,也能随着他的引导,一步步构建起自己的CMOS电路知识体系。我感觉自己仿佛不是在阅读一本书,而是在与一位导师进行一场深度对话,他耐心解答我的疑惑,指引我前进的方向。虽然书中对仿真工具的介绍尚属初阶,但我已经从中受益匪浅,对后续的深入学习充满了信心。这本书的价值,远不止于其篇幅所限,它为我打开了一扇通往CMOS世界的大门,让我对这个精妙的领域产生了浓厚的兴趣。

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这本书在处理CMOS电路的物理层面的细节时,简直是一位艺术家在描绘一幅精细的画卷。它没有回避那些看似枯燥但至关重要的物理概念,而是将它们以一种令人着迷的方式呈现出来。从半导体材料的特性,到MOS晶体管的工作原理,再到各种寄生效应的产生机制,作者都进行了细致入微的讲解。我尤其对书中关于载流子行为和能带理论的阐述印象深刻,它们用简洁的语言和直观的图示,将那些深奥的物理学原理变得易于理解。当我读到关于阈值电压、跨导、漏电流等概念时,作者结合实际的晶体管模型,解释了它们是如何影响电路性能的,这让我豁然开朗。书中对于工艺参数如氧化层厚度、沟道长度等对器件特性的影响的分析,也极其到位,让我明白了为什么不同的工艺会导致截然不同的电路表现。这种对物理细节的深入挖掘,让我在设计CMOS电路时,能够更准确地预判和控制电路的行为,避免潜在的问题。我感觉自己仿佛被赋予了一双“慧眼”,能够穿透电路的表象,看到其底层运行的物理规律。

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这本书在讲解CMOS电路的可靠性与可制造性时,就像一位严谨的“质量工程师”,它强调了在设计过程中就必须考虑如何确保电路的稳定运行和顺利生产。我尤其对书中关于各种失效机理的讨论印象深刻,例如瞬态击穿、热击穿、电迁移等,以及如何在设计阶段采取措施来避免这些问题。作者还深入探讨了可制造性设计(DFM)的重要性,以及如何通过合理的布局布线和工艺选择来提高芯片的良率。我明白了,一个在实验室中完美运行的电路,不一定能在量产中取得成功,而这本书为我提供了宝贵的指导,让我能够提前规避那些可能导致量产失败的风险。我感觉自己仿佛掌握了“防火墙”技术,能够有效保护我的设计免受各种潜在的破坏。

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