集成电路原理与设计范文

导语：如何才能写好一篇集成电路原理与设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词： 电源传输完整性; 优选器件; 电源评估; 平面电容; 电源仿真

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0132?05

Design process of hardware circuit based on PDN theory

REN Bing?yu

（GRG Banking Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）

Abstract： Based on the power delivery network （PDN） theory， the detailed design process of hardware circuit is described. Difference from general circuit design method， PDN design process can greatly improve the hardware integration and effectively reduce the total number of components by establishment of preferred component list， power evaluation， plane capacitor construction， power supply simulation and construction of power frequency impedance simulation curves. The power supply integration test executed by professional tester proves that the hardware circuit designed by PDN can effectively limit the ripple， noise and other electric performance parameters， and resistor and capacitor on one board can be decreased by 30%. The products can fully meet hardware requirements of telecom servers.

Keyword： PDN; PPL; power supply evaluation; plane capacitor; power supply simulation

0 引 言

21世纪以来，随着科技地不断发展，电子产品在功能、性能等方面得到了长足的发展。伴随而来的是电子产品系统复杂、加工工艺难度增大、产品成本提升、单板故障率上升等问题，直接影响消费者的正常使用和公司的信誉。

目前单板电源设计的流程通常是确定好主芯片及其他用电芯片的输入输出电压/电流，按照分支派生的方式标示电源架构，汇总出产品所需的总功耗，确定供电芯片的型号和性能参数就开始设计电路中的电源。为了降低设计风险，设计人员通常采用电源芯片供应商推荐的参考电路来设计电源电路，经过简单加工测试验证无问题后即投放市场。这种电源设计方式看似没有重大设计风险，但实际上却存在很多隐患，无法满足精细化设计的要求，会造成极大的设计冗余，导致产品升级换代困难，加大分析电路故障原因的难度，降低了产品实际效率，提高了产品的开发、生产和售后维护成本。本文从科学设计电路的角度出发，引导硬件工程师在充分理解单板芯片的实际电源需求后，通过正确评估电源需求、理清优选阻容器件、优化平面电容和层叠电容等设计方法，设计出高品质、高集成度的优秀电子产品。

1 优选阻容器件

在单板开发设计过程中，硬件工程师使用最多的器件就是电容和电阻，电阻主要有限流、分压、调节芯片驱动、限定电平输入输出、调整负载等作用;电容通常应用于隔直、耦合、滤波、稳压、谐振等设计。阻容的器件原理和应用范围很明确，但为了缩短产品的交付进度，设计人员通常在电源设计上采取粗放型理念，对阻容器件的选择缺少必要的科学管控。为保证无开发风险，设计人员大多直接应用芯片器件手册上推荐的环路设计，增加了芯片间冗余设计。这种不规范选取阻容器件的现象会导致板上阻容器件的种类数、器件总数被人为增加，提高了制造、仓储、维修等生产部门的运营难度，同时冗余设计会引起电路设计的不稳定性和不确定性，引入噪声、谐振、串扰、功耗上升等问题。故此，需要设计人员在设计前就必须彻底理清整个单板的系统架构，明确阻容器件的功能，通过电路仿真和实际测试结果来指导正确的硬件电路设计，否则无法正确完成产品开发设计[1]。

为保证电源稳定性，在设计芯片环路的时候都会给留有一定的余量，设计的余量与功耗评估、器件精度、电源仿真都存在关系。实际应用的阻容器件与标称的理论值存在一定偏差，阻容器件标称值与实际值的偏差称为误差，器件允许的偏差范围称为精度。电容精度等级与允许误差对应关系通常为：超稳定级（I类）的介质材料为NPO，精度通常为1%;稳定级（Ⅱ类）的介质材料为X7R，精度通常为5%;能用级（Ⅲ类）的介质材料Y5V，精度较低，不建议使用。在考虑通流和功耗的前提下，目前电阻精度主要是1%及5%两种。

在实际设计过程中，建议设计人员选择精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以准确控制硬件电路的功耗、电流、频率、纹波、噪声等电气特性，有效控制单板稳定性。为了降低单板阻容器件的种类数，应该参照以下规则：电阻按照E12原则（10、12 、15 、18、 22 、27 、33 、39 、47 、56、 68、 82作为基数）来选择器件，电容按照E3原则（10、22、47作为基数）来选择器件。这些是设计中经常用到的阻容值，以上述阻容值作为基数可以满足电路设计中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通过串并联的方式实现所需阻容值，可以有效地控制环路的阻抗匹配、驱动调节、纹波控制等电气特性。

选用高精度阻容阻容器件，建立优选阻容器件表PPL，就可以在保证所有单板开发质量的前提下，最大程度约束器件选择的种类数，实现器件编码的归一化，提高单板阻容器件的简洁度。

2 电源评估

设计人员选用一个芯片，需要明确芯片最大的应用能力，即芯片管脚最大工作电流和目标工作频率，理清芯片最大动态电流和设计所需的负载频率范围，约束trace走线分布来指导power rail的设计并选取适合的电容。控制电源稳定性最重要的两个环节就是阻抗匹配和频率响应，设计电路的时候会仿真出一个最优通路的理想电路模型。理想电路要求在电路频率变化范围中走线链路阻抗是固定的，设计出的实际电路也要满足这个特性，要求设计出的阻抗频率特性曲线与理想电路阻抗频率曲线接近，甚至一致。

以某网卡芯片为例，通过查询器件手册得出芯片在不同工作状态下的最大电流如下。

表1 某网卡芯片工作状态功耗表

通过表1知道网卡工作在1 000 Mb/s传输速率，从Active状态到Idle状态时候会产生最大的功耗变化，网卡实际工作中最大的电流变化是从Active状态向Idle 状态切换过程中发生的。网卡在这两个状态之前切换时候产生最大数据量变动，过大的数据量变化会产生额外的工作损耗。从芯片手册上可以得知Active状态到Idle状态的工作电流变化为570 mA，由此可以计算得出网卡在1 000 Mb/s link状态下从Active转向Idle时的Transient Current百分比，即动态电流变化率[Istep]为570 mA。由表1可以看出，该网卡芯片在不同工作状态下的功耗是不同的，相同电平下的工作电流不同。这是由于芯片高速信号传输引起传输线及传输介质产生阻尼效应，内部工作频率提升导致芯片管脚输出功耗上升。信号传输是通过数据线中电平高低变化来实现的，不同电气接口对于高低电平的阈值也是有严格要求的，为保证信号能够在准确的数值下传输，需要确保芯片管脚上的信号在相同或不同的工作状态下都能有稳定的电平输出。这就需要我们充分理解芯片的工作原理及产生功耗的原理后，提供最优的电路来保证整个环路的稳定性[5]。

特征阻抗[Ztarget]可以通过以下公式得到：

[Ztarget=ΔVΔI=Vmax?ΔVrippleImax?ΔItransient] （1）

式中[ΔVripple]为电压纹波要求，通常为1%～3%，[ΔItransient]为电流有效传输效率，根据电源不同的设计方式和信号工作频率，可以选择10%～90%作为电流传输效率。

芯片都是在不同状态之间进行工作的，管脚不可能一直保持工作在100%的工作状态，这就导致实际输出的电流不会一直处于峰值电流，而是最大值的一部分。对于对工作状态没有约束且工作频率超过100 MHz的芯片，对电流传输效率Transient Current百分比可以选择最大的90%。芯片的最大工作电流可以通过查找器件手册得到，里面详细介绍芯片所有的工作状态及对应的工作电流，得出芯片在不同状态下的最大功耗。在此基础上，联系芯片实际工作中可能出现的状态变迁方式，计算出最大的动态电流变化率，即电流有效传输效率[ΔItransient]。

通过查看器件手册得到芯片管脚的工作频率作为目标频率[Ftarget]，超过[Ftarget]范围的信号都不必要处理。这是因为受到阻抗特性约束，这部分超出[Ftarget]的信号是无效的，故此不会产生损耗。芯片的目标频率通常在器件手册中没有涉及，可以直接向供应商询问。如果厂商无法给出芯片的目标频率可以凭借经验来推测：首先明确芯片消耗电源的模块类型，通过模块类型对比给出不同模块的典型频率，在结合芯片实际工作情况，找出所需要的目标频率[Ftarget]。

通常以I/O电源80 MHz，core电源50 MHz作为标准基准频率。将[Ftarget]带入计算表格，得出所有需要分析的对象和仿真波形，完成电源评估工作。

3 平面电容

经过实际测试，发现每个芯片的I/O管脚都无法按照理论模型构建硬件电路，即直接通过芯片管脚与PCB板上铜箔pad相连接，不会产生任何额外的电气特性。如图1所示，在芯片I/O管脚与PCB相连的地方都会产生寄生电容，当I/O管脚输出高电平时，相连部分上的寄生电容开始放电，如果管脚周围没有补偿电容给管脚寄生电容及时充电，该I/O管脚上电平就会出现跌落。

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图1 芯片I/O管脚实际等效示意图

芯片厂商通常会在实际封装中添加一部分[Cpkg]用于给寄生电容充电，但是由于容值过小，充电效果并不理想。芯片外部放置的钽电容存在走线过长、层叠干扰及寄生电感的原因，更是难以给芯片I/O管脚上的寄生电容及时充电，所以我们要利用PCB来构建出如图2所示的等效平面电容[Cpcb]。

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图2 理想PCB平面电容示意图

平面电容是利用PCB叠层的电源层和地层之间构造的电容效用而形成的。这种平面电容的容值通常比较小（pF级），可以用于滤除高速信号产生的高频噪声，同时由于离芯片管脚最近，可以最迅速有效地为芯片管脚上的寄生电容充电。在芯片周围摆放滤波电容不能有效滤除高频噪声的原因就在于即使容值很小的滤波电容也只能滤除100 MHz以下的噪声，而对于超过200 MHz的噪声就不能有效滤除。以10 nF电容为例，按照电容阻抗特征曲线所示，只能有效滤除50 MHz左右的噪声。如果再放置pF级的电容会显得冗余，且电容本身的ESR和ESL会引入高频谐振的问题。

综合考虑，建议可以利用平面电容来对管脚寄生电容完成充电和高频滤波[2]。电容频率阻抗曲线如图3所示。

3.1 估算平面电容值

平面电容值需要依据芯片管脚和对应传输线上的寄生电容值来完成评估。通过芯片I/O管脚的寄生电容[Cio]以及芯片的I/O管脚数量得出芯片I/O管脚生成的总寄生电容大小。一般情况下，PCB微带层每inch单端传输线（特征匹配阻抗为50 Ω）上的寄生电容为3.5 pF。以一组32位的传输线为例，传输线走线长度为6 inch，管脚寄生电容[Cio]为2 pF，可以推算出芯片管脚总寄生电容[Cswl]=（3.5 pF/inch×6 inch+2 pF）×32=736 pF。按照设计要求电源的纹波为2%，综上条件就得到了所需要的平面电容[Cp]为36.8 nF。

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图3 电容频率阻抗曲线图

当然，这里还提供了一种简易评估平面电容的方法，即忽略管脚上的寄生电容。同样以上述32位传输线为例，[Cswl]=3.5 pF/inch×6 inch×32=672 pF，电源纹波同样要求为2%，得到平面电容为33.6 nF。这样计算得到的[Cp]与理论值存在一定偏差，不是很准确，但管脚上的寄生电容可以通过芯片封装上的[Cpkg]进行部分补偿，可以满足实际应用的补充效果，故此不会产生很大的影响[3]。平面电容的布局由于需要考虑分层和跨层分布，实际上应用的平面电容要比计算得到电容多。根据资料和实际测量，实际布局的平面电容[Ccomp]和理论的平面电容[Cp]二者的比例应该是5～10倍之间，通常选用选取为8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片实际需要补偿平面电容值为[Ccomp]=36.8 nF×8=294.4 nF。

3.2 构建平面电容

按照上面介绍的方法，通过计算得出芯片管脚需要补偿的电容值，下一步就要确认如何构建平面电容。PCB是由铜皮和绿油组成，PCB板上所有的电源和信号都需要通过铜皮完成布局和传输，故此确认并合理地分布铜皮就能决定如何构建最适宜的平面电容。

如式（1）所示，铜皮的估算方式可以按照业界通用的公式：

[CPCB=E×Er×L×WT] （2）

式中：E=0.224 9×[10-12] F/inch，[Er]=3.8～4.2 （FR406材质PCB吸收），L为走线长（inch），W为线宽（inch），T为铜厚。

在设计初期就已经确定了PCB的层叠间距、材质、走线距离、线宽和铜皮厚度等参数，可以根据式（2）评估出实际设计需要铜皮数量，由此构建PCB铜皮布局，即构建平面电容。构建PCB平面电容需要经过电路原理仿真、PCB信号仿真和电源仿真评测后方可落实。电源层和地层必须有效区分，原则上相同电平值的模拟和数字电源也需要单独隔离，数字地和模拟地也需要隔离开。处理高速信号时，需要注意信号参考的电源平面或地平面布局需要尽量精简，电源层平面和地层平面尽可能的靠近并对称均匀布局，形成近似差分耦合电容的布局。这是由于提供给高速信号做参考层的电源平面和地平面在实际应用的时候会附生一个很小的寄生阻抗（大致20 mΩ），为保证电平稳定，通过这种紧急对称布局来有效抵消寄生阻抗引起的电平跌落，而且可以有效抵消一部分电源纹波和噪声的干扰[4]。

3.3 应用实例

以一片单板为例，首先确定单板上工作时钟频率在100 MHz以上的单端信号，以表格的形式列对应的芯片器件名称、接口类型、工作频率以及器件个数，再列出接口的个数、单个接口的负载电容以及接口工作电压，按照列出的信息，参照本文提供式（1）计算出该关键I/O管脚需要补偿的电容值，构建平面电容。以Intel 82599网卡芯片为例，通过查阅厂家技术手册列出信号对应的电源网表名、电压、纹波等信息，绘制出表2，用于指导下一步设计。

表2 某单板的管脚信息表

通过查看芯片手册，得知芯片内部时钟主频为100 MHz，可以倍频至2.5 GHz，即[Ftarget]为2.5 GHz。管脚最大电流为3.5 A，应用VCCP的管脚都为高速信号，需要使用high speed模型分析：电压纹波要求1%，电流传输效率90%。

通过公式（1）所需要的平面电容值为[Cp=（3.5 pF/inch×15 inch+2 pF）×321%=174.4 nF]，即可规划出平面补偿电容。通过式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492 mΩ]。再使用文中介绍的电源评估方式，绘制出如图4所示的[Ftarget]与[Ztarget]曲线，依靠曲线协助评估出所需要的最优环路。

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图4 [Ftarget]与[Ztarget]仿真曲线

经过电源评估、构建平面电容和频率阻抗特征曲线后，可以设计符合芯片管脚电气需求的最优电路。如图5所示，通过泰克示波器TDS3012B量测信号噪声发现，采用PDN设计理念优化的电路可以有效抑制噪声。

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图5 PDN设计前后电路噪声测试结果

4 结 语

本文通过原理分析和实例讲解来介绍一种基于PDN原理设计硬件电路的方法。PDN可以有效指导硬件工程师在充分掌握芯片实际工作状态信息后，精确地设计电路、优化阻容选型，提升电路开发效率，解决冗余设计造成的干扰问题，提高单板简洁度，提升产品品质。同时，通过PDN原理来指导硬件电路设计的方法，已被爱立信、华为等电信业公司广泛接受、应用和推广。

根据本人实际开发工作验证，通过PDN原理设计电路的方法非常科学，采用PDN原理设计24 000 pin密集度的服务器单板，可以有效降低阻容器件种类数和总数各30%，降低原材料、加工成本和工艺制程成本12.5 RMB/pcs，提升生产直通率0.5%，改动前后的效果十分明显。

本文在以下方面有所创新：

（1） 提出PDN设计理念，规范电路设计流程，能有效指导硬件工程师充分理解芯片的技术规格，设计出最优电路;

（2） 建立优选器件表，规范阻容器件种类数和总数，提升产品质量和管控水平;

（3） 构建平面电容，绘制频率阻抗曲线，指导硬件工程师设计理想硬件电路。

参考文献

[1] 王殿超，郑学仁.电路设计中元器件的使用可靠性[J].电子产品可靠性与环境试验，2007，25（5）：8?11.

[2] 刘丽娟，杨兵初，倪兰，等.PDN电源地平面去耦电容网络设计[J].中南大学学报：自然科学版，2013（10）：4088?4094.

[3] 林文彦.阻抗规格对电路板设计、制造之影响[EB/OL]. [2010?09?02].http：///link？url=Rhyy3dKz_BPN14MggknesIEG4zyV4e8lhRxttj?6jDkPdqeVZ0vDe73umxNWWiZwZNt

De5i7DJhEGyvRbqwdj6HQqKr6TOivCZt4hPxvBQu.

[4] 顾艳丽，熊继军，焦新泉.长线传输的阻抗匹配设计[J].国外电子元器件，2008（10）：8?9.

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关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02

21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。

一、人才的社会需求情况

目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。

二、专业的培养目标和定位

本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。

三、本科培养方案制定的思路

电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。

四、本科培养方案的改革探索

要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：

1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。

2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。

3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。

五、与省内外专业人才培养的区别

具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：

1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。

2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。

3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。

参考文献：

[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.

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关键词： 大规模集成电路 集成电路制造工艺 教学内容

21世纪以来，信息产业已成为我国国民经济发展的支柱产业之一，同时也是衡量一个国家科技发展水平和综合国力的重要指标。超大规模集成电路技术是信息产业的重要基础，而集成电路制造工艺又是超大规模集成电路的核心技术。因此，对集成电路工艺的优化和创新就成为提高信息产业综合实力，增强国家科技竞争力的关键所在。近年来，尽管我国微电子技术不断进步，但与微电子技术发达的国家相比，仍存在着相当大的差距。因此，要实现由集成电路生产制造大国向集成电路研发强国的转变，就迫切需要培养一批高质量的超大规模集成电路工艺技术人才[1]，这也正是《集成电路工艺原理》这门课程所要实现的目标。

然而，目前《集成电路工艺原理》课程的教学效果并不理想[2]，[3]，究其根本原因在于该课程存在内容陈旧、知识点离散、概念抽象、目标不明确等不足[4]。同时，由于大部分普通高校没有足够的实验设备和模拟仿真实验平台，无法使学生熟悉和掌握工艺仪器的操作，导致学生所学知识与实际应用严重脱钩，甚至失去学习积极性，产生厌学情绪。为此，依据我院微电子专业本科生的教学情况，我详细分析了教学过程中存在的问题，提出了改革方案。

一、目前教学中存在的问题

1.学习目标不明确。现有的教学内容往往采用先分别独立讲授单项加工工艺，待所有工艺全部讲授完毕，再综合利用所有工艺演示制作CMOS集成电路芯片的流程。这种教学模式会造成学生在前期的理论学习过程中目标不明确，无法掌握单项工艺在芯片加工中的作用，不能与实际器件加工进行对应，造成所学知识与实际应用严重错位，降低了学生的学习积极性和主动性。

2.知识衔接性差。本课程的重点内容是集成电路工艺的物理基础和基本原理，它涉及热学、原子物理学、半导体物理等离子体物理、化学、流体力学等基础学科，然而，大部分学生并未系统地学习过譬如等离子体物理、流体力学等课程，这就不可避免地造成了教学内容跨越性大的问题，无法实现知识的正常衔接，致使学生对基本概念和基本物理过程难以理解，从而影响学生的学习兴趣。

3.课程内容抽象，不易理解。由于该课程的基本概念、物理原理和物理过程多而繁杂，再加上各种不同工艺之间的配合与衔接，导致内容抽象难懂。教师在课堂上按照常规讲法，费时费力，学生对所讲内容仍无法彻底理解，难以完成知识的迁移。

4.教学资源匮乏。现有教材中严重缺乏集成电路加工方法的可视化资料，大量使用文字叙述描述物理过程和工艺流程，致使课程讲授枯燥乏味，学生无法真正理解教学内容，很难产生学习兴趣。

综上所述，在现有集成电路工艺原理的教学过程中还存在一些严重影响教学质量的因素。为了响应国家“十二五”规划中明确提出的建设创新型国家的任务，培养创新型大学生的要求，我们必须逐步改革和完善现有的教学内容及教学模式[5]，提高教学质量，为培养开创未来的全面发展型人才奠定基础。

二、教学内容的整体规划

为了让学生明确教学目标，突出教学重点，需要摒弃传统的教学思路[6]，构建“先整体、后部分；先目标、后工艺”的教学思路，对教学内容进行重新设计，使其更加符合学生的认知规律。我们抛弃了传统的教学内容编排方式，提出了整个课程主要围绕一个通用、典型的集成电路芯片的加工和制备展开，使学生明确本课程的教学目标。首先给出典型器件的模型，分析其各部分的材料和结构，明确器件的不同组成部分并进行归类，依据器件加工的先后顺序，然后模块化讲授器件每部分的加工方法、工艺原理和加工流程，逐步完成集成电路的全部制作，进而完成整个课程内容的讲授。这样就能用一条主线串起每块学习内容，使学生明确每种工艺的原理、流程和用途，做到有的放矢，并能与实际应用较好地融合在一起，进而提高学生的学习主动性，增强课堂教学效果。

三、教学内容的选取与组织

1.教材的选择

集成电路工艺的发展遵循摩尔定律，随着理论的深入和技术的革新，现有的大部分《集成电路工艺原理》教材显得陈旧、落后，无法适应现代工艺技术的发展和教学的需求。

为此，本课程的教材最好采用现有经典教材和前沿科学研究成果相结合的方式，现有经典教材有美国明尼苏达大学的《微电子制造科学原理与工程技术》[3]和北京大学的《硅集成电路工艺基础》[7]等，这些教材内容全面，几乎覆盖了所有的集成电路加工方法，而且原理讲解深入透彻，具有较强的理论性。这些教材知识结构基本上是按照传统的教学思路编排，所以要打破这种思维的束缚，设计出一个具有代表性器件的加工过程，然后把教材中的工艺原理、工艺流程融入器件的加工过程中。这就要求我们不能照搬书本上的知识内容，需要根据课程的新设计方案重新整合讲义。同时还应该注意，为了扩充学生的知识面，还应该摘取一些具有代表性的最新前沿成果，不仅使学生的知识体系具有完整性，而且能进一步调动他们的创造性。

2.教学内容的选取

依据课程“先整体、后部分；先目标、后工艺”的教学思路，采用“范例”教学模式，教学内容可以划分为九大知识模块：典型CMOS器件、外延、氧化、扩散、离子注入、物理气相淀积、化学气相淀积、光刻与刻蚀、隔离与互联。首先，通过一个典型CMOS器件的结构分析，获得制作一个芯片所需的材料与结构，然后简要给出不同材料和结构的加工方法，让学生对课程整体内容有宏观把握，初步了解每种工艺的基本功能。其次按照器件加工的顺序，对不同工艺分别从发展历史、工艺原理、工艺流程、工艺特点等方面进行详细阐述，使学生对工艺原理深入理解，工艺流程熟练掌握，最后完成整个器件的制作。

3.教学内容的组织

对每部分教学内容要坚持“基础知识衔接、主流工艺突出、淘汰工艺删减、最新工艺提及”的原则。由于本课程以工艺的物理基础和基本原理为重点内容，这是本课程的教学难点，为了让学生更加清晰地理解和掌握其工艺原理，需要适当地补充一些课程必备的物理基础知识。主流工艺是本课程的主要内容，要求学生对原理、流程、性能、使用范围等深入理解，熟练掌握。因此，这部分内容要进行详细讲解。淘汰工艺是本课程的了解内容，目前淘汰工艺在现有教材中占据的篇幅和课时还比较多，且有喧宾夺主之势，为了让学生了解和熟悉集成电路工艺的发展历史，需要进行适当的概括压缩或删减处理。最新工艺是本学科的前沿研究内容，为了扩充学生的知识，开阔学生的视野，应该适当地补充一些新型工艺技术，为学生将来进一步研究深造奠定基础。

四、结语

《集成电路工艺原理》是微电子学专业本科生的一门重要的专业基础课程，本课程的目的是使学生掌握集成电路制造工艺流程和基本原理。只有通过精心选择优秀教材，合理设计教学内容，使理论与实践紧密结合，才能激发学生的学习兴趣和创新思维，进而有效地提高课堂教学质量，为培养科技创新型人才奠定基础。

参考文献：

[1]彭英才.兼谈《集成电路工艺原理》课的教学体会与实践[J]，高等理科教育，2003（50）.

[2]李尊朝.集成电路工艺课程教学改革探析[J].实验科学与技术，2010（8）.

[3]李琦，赵秋明，段吉海.工程教育背景下“集成电路工艺”的教学探索[J].中国电力教育，2011.

[4]邵春声.浅谈《集成电路制造工艺》的课程建设和教学实践[J].常州工学院学报，2010（23）.

[5]汤乃云.“集成电路工艺原理”课程建设与教学改革探讨[J].中国电力教育，2012.

篇4

关键词：集成电路工艺；立体化教学；探索与实践

微电子技术是高科技和信息产业的核心技术，是伴随着集成电路（IC）发展起来的高新技术，对国民经济和国家安全有着举足轻重的战略作用。集成电路工艺作为电子科学与技术相关专业的专业课程，其任务是使学生掌握集成电路的主要工艺技术及相关原理，培养其自主解决工艺问题的能力。课程具有实践性强、理论与实践密切结合的特点，目前的教学存在强调理论、忽视实践的问题，学生害怕硬件，缺乏动手能力，不能扎实系统地掌握课程知识。本文对集成电路工艺的教学方法和教学内容进行了探讨，搭建了“理论―模拟―实践”的立体化教学平台，为大学教学改革提供参考。

一、目前课程存在的问题

1.教学模式的限制

在课程教学中，教学模式主要以理论授课为主，但是高等院校对微电子及集成电路专业的人才培养方式越来越强调对学生实践能力的培养，传统板书和多媒体PPT演示的教学方法已经无法满足与实验教学有机的结合。

2.教学资源的缺乏

要培养学生具备较好的动手能力及基本的科研素质，在集成电路工艺实验教学中，必须使用各种工艺设备，如扩散炉、退火炉、光刻机、刻蚀机等，这些设备仪器价格昂贵，购置和维护这些设备的费用远远超出了学校的承受能力，导致其中部分实验无法开设，降低了教学效果。

3.课程设置僵化

目前集成电路工艺的课程设置一般是采用理论教学和实验教学结合、理论教学和计算机模拟结合的形式，或者单独进行相关的课程设计，整个知识面不够系统，并且考核形式比较单一，不利于学生集成电路工艺设计和分析能力的提高。

二、立体化教学在课程中的实践

1.理论教学设计

集成电路工艺的基础知识所涉及的面较广，理论性较强，要求学生能够扎实掌握半导体原理和器件的相关知识，能够从前期的课程基础上解释工艺中出现的问题，如外延层构造及缺陷与器件性能间的联系、扩散参数与掺杂离子分布的联系等。所以，在教学内容的选择上突出交叉课程的相关性，将半导体原理和器件的内容融入工艺的教学内容中，有利于电子科学与技术专业学生对课程体系的整体掌握。

2.模拟仿真设计

TCAD（Technology CAD） 即工艺计算机辅助设计已经在集成电路工艺中有着举足轻重的作用，广泛运用于工艺优化、控制以及设计优化中，不但可以通过模拟芯片制备的整个工艺流程节省实验成本，在实验前后以及进行过程中，可以随时观察各项数据，对实验过程和结果进行直观分析，从而使学生得到及时全面的认知，改善教学效果。对理论教学中的案例进行验证性和探究性模拟实验设计，可以进一步加强学生对知识的掌握程度。基于南通大学的SILVACO―TCAD的教学软件，同样以热扩散工艺为例，如下图所示，扩散深度随着扩散时间的增加而增加，可见在模拟实验中可以便捷地修改各项参数，灵活设计教学内容。

3.实验教学设计

实验作为教学的重要组成部分必须与理论教学相辅相成， 必须能有效地促进学生对理论的理解，又要能在实验中应用相关理论，为学生获得新的理论知识打下良好的基础。目前集成电路工艺课程存在实验仪器贵重、精密、量少与实验人数多、实验时间短的供需矛盾，因此对于现有的设备一定要对实验参数进行正交设计，从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，注重高效率、快速、经济。

综上所述，在集成电路工艺课程中，建立理论授课―TCAD工艺模拟―工艺实验密切结合的立体化实验平台，不但能丰富课程的教学内容，而且能激发学生的学习兴趣，也能使学生更为扎实地掌握集成电路制备的整个流程和设计方式，增强动手能力，提升教学效果。

参考文献：

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关键词：版图设计；九天EDA系统；D触发器

Full-Custom Layout Design Based on the Platform

of Zeni EDA System

YANG Yi-zhong , XIE Guang-jun, Dai Cong-yin

（Dept. of Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

Abstract: Layout of D flip-flop based on some basic units such as inverter has been designed by using platform of Zeni EDA software system produced by China Integrated Circuit Design Center, adopting 0.6um Si-gate CMOS process, following a full-custom IC design flow of back-end, i.e. the construction of basic cell libraries, placement & routing and then layout verification, which is used for data collection unit. Layout design technique about elementary logic gate of digital circuit has been discussed in detail. The layout has been used in an IC. The result shows that design using Zeni EDA software system satisfies design requirement exactly.

Key words: layout design; Zeni EDA system; D flip-flop

1引言

集成电路（Integrated Circuit，IC）把成千上万的电子元件包括晶体管、电阻、电容甚至电感集成在一个微小的芯片上。集成电路版图设计的合理与否、正确与否直接影响到集成电路产品的最终性能[1]。目前，集成电路版图设计的EDA （ Electronic Design Automation）工具较多，但主流的集成电路版图设计的EDA工具价格昂贵，而我国自主开发的九天EDA系统，具有很高的性价比，为我们提供了理想的集成电路设计工具。

2基本概念

2.1 版图

版图是将三维的立体结构转换为二维平面上的几何图形的设计过程，是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。它包括了电路尺寸、各层拓扑定义等器件的相关物理信息，是设计者交付给代工厂的最终输出。

2.2 版图设计

它将电路设计中的每一个元器件包括晶体管、电阻、电容等以及它们之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信息。主要包括图形划分、版图规划、布局布线及压缩等步骤[2]。版图设计是实现集成电路制造的必不可少的环节，它不仅关系到集成电路的功能是否正确，而且会在一定程度上影响集成电路的性能、面积、成本与功耗及可靠性等[3]。版图设计是集成电路从设计走向制造的桥梁。

2.3 集成电路版图实现方法

集成电路版图实现方法可以分为全定制（Full-Custom）设计和半定制（Semi-Custom）设计[4]。半定制设计方法包括门阵列设计方法、门海设计方法、标准单元设计方法、积木块设计方法及可编程逻辑器件设计方法等。全定制设计方法是利用人机交互图形系统，由版图设计人员从每一个半导体器件的图形、尺寸开始设计，直至整个版图的布局和布线。全定制设计的特点是针对每一个元件进行电路参数和版图参数的优化，可以得到最佳的性能以及最小的芯片尺寸，有利于提高集成度和降低生产成本。随着设计自动化的不断进步，全定制设计所占比例逐年下降[5]。

3九天EDA系统简介

华大电子推广的应用的九天EDA系统是我国自主研发的大规模集成电路设计EDA工具，与国际上主流EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了作用，成功开发出了许多实用的集成电路芯片[6]。其主要包括下面几个部分[7]：ZeniSE（ Schematic Editor）原理图编辑工具，它可以进行EDIF格式转换，支持第三方的Spice仿真嵌入； ） ZeniPDT （ Physical Design Tool）版图编辑工具；它能提供多层次、多视窗、多单元的版图编辑功能，同时能够支持百万门规模的版图编辑操作；ZeniVERI （ Physical Design Verification Tools）版图验证工具它可以进行几何设计规则检查（DRC） 、电学规则检查（ ERC） 及逻辑图网表和版图网表比较（LVS）等。

版图设计用到的工具模块是ZeniPDT，它具备层次化编辑和在线设计规则检查能力，并提供标准数据写出接口。其设计流程如图1所示[8]，

4设计实例

任何一个CMOS数字电路系统都是由一些基本的逻辑单元（非门、与非门、或非门等）组成，而基本单元版图的设计是基于晶体管级的电路图设计的。因而在版图设计中，主要涉及到如何设计掩膜版的形状、如何排列晶体管、接触孔的位置的安排以及信号引线的位置安排等。以下以一个用于数据采集的D触发器为例进行设计。

4.1 D触发器电路图及工作原理

D触发器电路图，如图2所示，此电路图是通过九天EDA系统工具的ZSE模块构建的，其基本工作原理是：首先设置CLB=1。当时钟信号CLK=0时，DATA信号通过导通的TG1进入主寄存器单元，从寄存器由于TG4的导通而形成闭合环路，锁存原来的信号，维持输出信号不变。当CLK从0跳变到1时，主寄存器单元由于TG2的导通而形成闭合回路，锁存住上半拍输入的DATA信号，这个信号同时又通过TG3经一个与非门和一个反相器到达Q端输出。当CLK再从1跳变到0时，D触发器又进入输入信号并锁存原来的输出状态。对于记忆单元有时必须进行设置，电路中的CLB信号就担当了触发器置0 的任务。当CLB=0时，两个与非门的输出被强制置到1，不论时钟处于0还是1，输出端Q均被置为0。

4.2 D触发器子单元版图设计

图2所示的D触发器由五个反相器、两个与非门、两个传输门和两个钟控反相器组成。选择适当的逻辑门单元版图，用这些单元模块构成D触发器。

对于全定制的集成电路版图设计，需要工作平台，包括设计硬件、设计使用的EDA软件以及版图设计的工艺文件和规则文件。此D触发器的设计硬件是一台SUN Ultra10工作站，设计软件是九天EDA系统，采用0.6um硅栅CMOS工艺。

CMOS反相器是数字电路中最基本单元，由一对互补的MOS管组成。上面为PMOS管（负载管），下面为NMOS管（驱动管）。由反相器电路的逻辑“非”功能可以扩展出“与非”、“或非”等基本逻辑电路，进而得到各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。

在电路图中，各器件端点之间所画的线表示连线，可以用两条线的简单交叉来表示。但对于具体的物理版图设计，必须关心不同连线层之间物理上的相互关系。在硅CMOS工艺中，不能把N型和 P型扩散区直接连接。因此，在物理结构上必须有一种实现简单的漏极之间的连接方法。例如，在物理版图中至少需要一条连线和两个接触孔。这条连线通常采用金属线。可得如图3（a）所示的反相器的局部的符号电路版图。同理，可以通过金属线和接触孔制作MOS管源端连接到电源VDD和地VSS的简单连线，如图3（b）所示。电源线和地线通常采用金属线，栅极连接可以用简单的多晶硅条制作。图3（c）给出了最后的符号电路版图。

通过九天版图设计工具绘制的反相器版图如图4所示。其他基本单元的版图可依此建立。

4.3 D触发器版图设计

先建立一个名为DFF的库，然后把建立的各个单元版图保存在DFF库中，同时在库中建立名为dff的新单元。调用各子单元，并进行相应D触发器的版图布局，接着就是单元间的连线。主要用到的层是金属1、金属2和多晶硅进行连接布线。接触孔是用来连接有源区和金属1，通孔用来连接金属1和金属2，多晶硅和多晶硅以及相同层金属之间可以直接连接。版图设计完成后，再利用版图验证工具ZeniVERI对该版图进行了版图验证。最后，经过验证后D触发器的版图如图5所示。

5结语

在分析CMOS 0.6um设计规则和工艺文件后，采用九天EDA系统，以D触发器为例进行了版图设计。实践表明，九天EDA系统工具具有很好的界面和处理能力。该版图已用于相关芯片的设计中，设计的D触发器完全符合设计要求。

参考文献

[1] Chen A, Chen V, Hsu C. Statistical multi-objective optimization and its application to IC layout design for E-tests[C]. 2007 International Symposium on Semiconductor Manufacturing, ISSM - Conference Proceedings, 2007, 138-141.

[2] 程未, 冯勇建, 杨涵. 集成电路版图（layout） 设计方法与实例[J]. 现代电子技术, 2003, 26 （3） : 75-78.

[3] 王兆勇, 胡子阳, 郑杨. 自动布局布线及验证研究[J]. 微处理机, 2008,1:3132.

[4] 王志功, 景为平. 集成电路设计技术与工具[M]. 南京:东南大学出版社, 2007:6-11.

[5] Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolic. 周润德译. 数字集成电路――电路、系统与设计（第二版）[M], 北京:电子工业出版社, 2006, 48-51.

[6] 易茂祥, 毛剑波, 杨明武等. 基于华大EDA软件的实验教学研究[J]. 实验科学与技术, 2006, 5:71-72.

[7] China Integrated Circuit Design Center. Zeni Manual Version 3.2, 2004.

[8] 施敏, 徐晨. 基于九天EDA系统的集成电路版图设计[J]. 南通工学院学报（自然科学版） , 2004, 3 （4）:101-103.

篇6

关键词：音乐片；物理实验；微电流检测

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）2-0013-3

笔者发现音乐卡片包含着不少物理知识，可以做很多物理实验，探索许多的物理现象。音乐片虽小，但它是一种音乐集成电路，音乐集成电路是一种乐曲发生电路，它可以向外输出固定存储的乐曲。音乐集成电路具有外接元件少、工作电压低、耗电量极少、功能齐全和使用方便的特点。设计制作成“微弱电流检测器”可以用来验证“会产生微弱电流”的物理实验。现将其工作原理、设计、制作及在物理实验中的应用总结如下。

1 音乐集成电路的结构及基本工作原理

音乐集成电路的芯片面积仅半颗黄豆大小，属大规模CMOS电路，它由音乐集成电路、声光集成电路、模拟声响集成电路三部分组成，总称音乐集成电路。音乐集成电路具有以下特点：（1）品种多，规格齐全。它有三大系列、数百个品种规格可供选择。（2）电路简单，制作容易，用途广泛，售价便宜，特别适合于青少年课外业余电子制作活动。（3）工作电压为1.2～3 V，工作电流典型值为600 μA，静态电流仅为0.5 μA，可采用纽扣电池供电，使用寿命长达1～2年。

音乐集成电路有许多系列，且在控制功能上也各不相同，但它们的基本电路结构和工作原理大都是相同的。

音乐集成电路的内部电路结构如图1所示，它由控制电路、振荡电路、存储器（ROM）、节拍发生器、音阶发生器、调制器、音色发生器、音色和节拍选择器及前置放大器等组成。

2 “微弱电流检测器” 设计制作

笔者收集了很多型号的音乐卡片，有HY-100系列音乐集成电路、HY-1音乐集成电路、KD-930音乐集成电路、KD-152G音乐集成电路、HFC93音乐集成电路、TS-021音乐集成电路等。由于KD-930音乐集成电路，结构简单、外接元件最少，所以笔者先用KD-930音乐集成电路制作物理实验仪器。

笔者根据音乐集成电路（音乐片）具有工作电压低、耗电量极少的特点，利用音乐片设计制作了“微弱电流检测器”，将其用于物理实验，取代过去一些陈旧的方法，效果极佳，且颇为新颖有趣。

笔者把KD-930音乐集成电路、开关、压电晶片如图2电路进行焊接，触发开关用热熔胶粘在塑料盒边，压电晶片粘在塑料盒盖上，整个原件组装在一个塑料盒中，这样就做成了一个多功能的“微弱电流检测器”，实物如图3所示。

图中1脚接电源正极，2脚为正脉冲触发电极，4脚为地接电源负极，3脚为输出。3、4脚两端可接压电晶片（发音片），其耗电量极低。在外界有电源接A、B的情况下，当2脚与1脚每接触一次则触发演奏一曲音乐，若两者相接则反复演奏。

3 用“微弱电流检测器”进行以下物理实验

3.1 检验电源电动势

将两节电池串联，其正、负极分别与电路图2中的A、B相连。将 2与1开关闭合短接，则奏响音乐，断开电源，音乐停止，说明电路正常。然后去掉一节电池，再按上述方法接通。音乐又响，但音量比前者小，这说明音乐片所发的声音大小与电源电动势有关，在一定范围内电源电动势越高，加到电路上的电压越大，声音也越大。下面用此方法检验伏打电池（或水果电池）其效果会更为显著，因为这类电池产生的电流较弱。若用小灯泡演示，由于耗电量大，电池放电快，演示好似昙花一现，灯很快便暗淡下去，改用音乐片则时间延续很长，效果极为明显。

具体方法：将锌（镁）和铜电极分别插入稀硫酸溶液杯（或水果中）。锌电极作为电源负极，铜电极作为正极，代替干电池分别与音乐片图2中的A、B相接，此时音乐响起，当把电极取出，音乐停止，重新插入，音乐又奏响，以此说明伏打电池（水果电池）可以代替干电池产生电源电动势，为音乐片提供电压和电流。

3.2 验证电容器能存储电能

取200 μF以上的电解电容一只，用其代替电池接到电路图2中的A、B端。此时音乐片不响，取下电容，用电池对其充电（注意极性）数分钟后，再将电容正负极分别接到电路图2中的A、B端。此时音乐会响起，并且声音逐渐减弱。这说明电容能够存储电能，并随放电时间的延长，电容两端的电压和输出的电流会逐渐减小。

3.3 检验电感线圈的自感电动势

实验电路如图4所示，无电感时，电路一接通，音乐片马上就响起，电路断开，音乐戛然而止，但有电感线圈后，电路接通的瞬间，声音并不马上响起，而是逐渐变响，过一段时间后才达到稳定的响度。当电键扳到2时，音乐也不马上停止，而是逐渐消失。这说明当电键闭合时，电感线圈有自感电动势产生。其方向与电源电动势相反，阻碍电流突变，因此音乐声是渐大的。当电路进入稳定状态后，电源电动势才全加到音乐片上。当电键断开，扳到2时，电感线圈也会产生自感电动势，方向与原电源电动势相同，阻碍电流变小。所以它将继续为音乐片提供电压、电流，使其发音，但随着时间延长，自感电动势减小，声音也逐渐变小， 最后消失。

3.4 验证二极管的单向导电性

在电池正极与音乐片图4中的A脚之间串接一个二极管D，这时会发现，当二极管极性与电路中电流方向一致时，音乐片便会响起，当其极性与电流方向相反时，音乐便会停止。这说明二极管具有单向导电性，当其极性与电流方向一致时，其两端所加电压为正向偏置，二极管导通，电阻极小，其两端相当于短路，因此电源电压会加到音乐片上，使其奏响。当二极管反接时，其两端电压为反向偏置，二极管截止，两端相当于开路，电源电压不能加到音乐片上，因此不会使音乐响起。

3.5 演示电磁感应现象

电路如图5所示，音乐集成块为KD-930，L为J2409型演示原、副线圈中的副线圈，二极管和电容器的型号、参数见图5。把两根条形磁铁并在一起，插入（或拉出）线圈一次，音乐集成块就能工作约8秒钟。如果不紧不慢一次次地把磁铁插入、拉出线圈，音乐就能一直演奏下去，比课本中介绍的用电流表显示感应电流，更加生动有趣。

取一只音机机芯马达，撬开后盖，拆去稳速板，从电枢的两个端点引出两根导线，如图6所示连接线路，手捏转轴转动，电动机就变成了发电机，确定正确的旋转方向后，只要不停地用手转动马达，音乐集成块就能不停地演奏下去。

3.6 显示电磁波具有能量

取两根长度为30 cm左右的空心金属棒，相距5 cm左右，置于同一直线上，各元件型号、参数如图7所示。按图连接线路，把整个装置固定在木板、泡沫塑料等绝缘体上，打开J2435型电磁波发送、接收演示器，金属棒距发射天线1.5 m以外，音乐集成块已能奏出清晰的音乐，比用小灯泡显示更灵敏，也更吸引学生。

4 结 语

物理是一门以实验为基础的学科。在教学过程中，部分老师受到器材的限制，导致课堂缺少实验演示，影响课堂教学质量。殊不知，身边的小物体“变废为宝”将会有大作用。一张小的音乐片给物理实验带来创新的同时也为课堂注入活力，帮助教师提高课堂的教学质量。同时，还能更加吸引学生，培养学生学习物理的兴趣。此外，教师在准备实验教具的过程中，必然会遇到许多需要克服的困难和需要学习的东西，这对教师自身能力的提升大有裨益。

篇7

【关键词】Proteus；集成电路；仿真

Proteus是一款集单片机和SPICE分析于一体的电子仿真软件，功能非常强大，可以同时满足电类各个专业课的教学，Proteus仿真软件7.5版的元器件库中包含了CD4000系列、74系列大部分数字集成电路及LM系列等几百种模拟集成电路，非常适合用于集成电路应用课程的实践教学。为此，笔者分析了Proteus仿真软件在课堂教学、实训、课程设计等各个方面的实践教学应用情况。

1.Proteus在课堂教学中的应用

目前适合高职院校集成电路应用课程教学的教材相对较少，加上集成电路种类繁多，我们在实际教学中以集成电路厂家给定的datasheet文件为基础自编实训教材，选取的几十种常用集成电路中大部分在Proteus元件库中有仿真模型，可以搭建电路进行仿真演示，如NE555、LM324、OP27、LM386、LM317、MC34063、LM3914、LM331等。在集成电路应用教学中，最核心的是集成电路的功能演示。在以往没有使用Proteus软件的情况下，教师只能使用PPT等多媒体手段，针对电路的原理和功能进行枯燥的讲解。使用Proteus软件后，借助软件的可操作性及过程的动态显示，可以通过变换电路形式、设置输入信号参数、调用虚拟仪表进行测量等人机互动功能来增加学生的兴趣和对知识的理解。

如在讲述NE555集成电路的多谐振荡功能时，我们并不急于按照图1来讲述NE555的内部结构和功能，而是使用Proteus搭建如图2所示的电路，使用电压探针监视充放电电容C1上的电压，观察第3脚上的电平颜色变化，可以很清楚的看到当电容C1上的电压升到4V时，Q从高电平变成低电平，电容上的电压开始变为下降，当电容上的电压下降到2V时，Q从低电平变成高电平，电容上的电压开始变为上升，如此反复形成振荡。通过计时还能发现，振荡的周期大概为20多秒，基本与理论上的公式符合。在观察了仿真现象和验证了公式之后，再来理解图1所示的NE555内部结构和功能就容易的多。

在对图2使用Proteus进行仿真时，还可以清晰看到电容C1被NE555控制进行反复的充电和放电，充放电的转换电压正好为2V和4V，也就是1/3VCC和2/3VCC。这样通过软件仿真可以轻松理解NE555电路的特点，而不需要去花很多时间来剖析繁琐的内部模块和结构。对于其他集成电路的教学，也是直接通过电路图来仿真就可以轻松掌握其引脚的功能。

Proteus软件在仿真时，是以动画的形式显示的，同时也可以使用仿真软件上帧进按键，每按一下前进一帧。在讲解和演示时可以在停顿的时间里做更多的穿插讲解，也增加了学生的理解。

2.Proteus在实训教学中的应用实践

传统的电子产品设计过程中，从选定题目开始，首先要确定集成电路型号和使用的方案，之后开始设计电路图，购买元器件，进行PCB打样，最后进行焊接调试[1]，整个过程中还需要使用到若干仪器、仪表和工具。如没有达到设计功能，整个过程或者部分环节就可能需要反复进行。采用PROTEUS软件后，只需要搭建完整的电路图就可进行功能测试和评估，还可以通过调整元器件参数使整个电路性能更佳。这样就无需多次购买电子元器件、PCB打样和焊接调试等费时费力的工作，等仿真结束并确定了元器件和电路图后，一次性完成元器件购买、PCB制作和焊接调试的工作。

例如，如图3所示的在三运放差分放大器的实训中，根据理论计算和图中电阻阻值设置，VO=2.1（V2-V1），使用软件仿真时给定V2=0.2V，V1=0.1V，则通过虚拟测量VO正好为2.1V。通常利用软件仿真得到正确的结果并不容易，调试结束之后，大部分学生均能取得下列认识：

（1）测量可知运放的输入端电流基本为0，即运放的虚断概念；

（2）测量可知运放的输入的+、-两端的电压差基本为0，即运放的虚短概念；

（3）运放通常需要给正负双电源才能正常工作，而且电源极性不能搞反；

（4）运放输出的电压值不可能超出电源范围；

（5）仿真电路图中运放的各输出点电压都能通过理论计算得到，而且误差不大。

（6）如将运放更换为LM324运放，将得到的VO将不再是2.1V，误差比较大，可见OP27的精度比LM324高，原因是其输入失调电压才10uV，而LM324的2mV。

3.Proteus在课程设计中的应用实践

在学习A/D变换集成电路时，作为本课程的课程设计项目之一，我们选择使用ICL7107集成电路来制作一个LED数字电压计。传统的做法是老师给定完整的电路图，学生用1-2周的时间在实验板上焊接调试完成，其中A/D变换的原理、电路的原理及作用等的讲解和分析还是要使用黑板或者PPT来完成，大部分学生很难理解，实训时只能按图接线，出了问题找老师解决，完全不能在理解原理的基础上根据故障现象进行分析和判断，更不能独立消除故障。

在使用Proteus软件后，可以很方便地按照电路的模块进行功能演示、原理解说和故障的分析判断。如图4的电路，可以使用Ptoteus演示出双积分A/D变换器将电压转换成时间间隔的过程，在仿真的过程中，学生理解了积分电阻和积分电容所起的作用。又如图5的电路，可以演示出ICL7107所需要的负电压的产生过程。学生在电脑上仿真成功后，对照仿真电路图进行焊接，然后再根据仿真的现象对焊接完的电路板进行调试，如出现故障，也能借助仿真软件的虚拟仪表来进行测试，帮助进行最终的故障分析和定位。

4.Proteus软件在实践教学中的特点

Proteus软件在集成电路应用课程中起到了很好的作用，最突出的特点是学生的积极主动性有了显著的提高，作为一个电子仿真软件，Proteus对其他电类课程也可以起到较好的辅助教学作用，主要的优点如下：

（1）可以达到学生自主学习为主的目的。原则上只要有电脑就可以学习，学生课后也能在自己的电脑上进行学习，虚拟的元器件和仪器仪表也不可能被损坏，学生也不会怕触电怕短路，能做到大胆尝试，增强独立解决问题的能力，减少学习的依耐性[2]。

（2）解决学校实践条件不足的问题。利用学校已有的机房轻易实现一人一机的实践环境。传统实验室需要元器件、电源、万用表、示波器、常用工具等硬件设施，容易损坏，难于管理，仿真教学和学习相对容易的多。

（3）设计性实验替代验证性实验。传统的实训受到已有元器件的限制，实训往往按部就班，不能开发学生的主观能动性，不利于培养产品研发和设计的能力，仿真软件的使用可以使学生在虚拟的环境中充分发挥自己的想象，设计出不同的电路方案。

5.结束语

Proteus仿真软件为集成电路应用等电子类课程的教学提供了比较方便的途径，解决了很多传统时间教学无法解决的问题，但它毕竟是虚拟的环境，只能作为教学的补充，要让学生真正学习到电路的设计、生产、调试和维修方面的技能，还需要多动手接触实际的电路实物，否则哪怕用的再多，也只能是纸上谈兵，不能完全使用虚拟的仿真来替代实际的实验和实训。

参考文献

[1]吴小花，吴先球.Proteus电路设计与仿真在教学中的实践[J].计算机系统应用2010，19（2）.

[2]陶洪，钱驰波.仿真软件Proteus在《数字电子应用》课程教学中的应用[J].常州信息职业技术学院学报，2009，8（1）.

作者简介：

篇8

Eby G. Friedman University of Rochester USA.

Power distribution networks

in high speed integrated

circuits

2004,277pp.

Hardcover USD 79.00

ISBN 9781402075346

Kluwer Academic Publishers

高速集成电路中的

功率分配网络

AV梅齐巴EG弗里德曼

自从20世纪60年代初单片集成电路发明以来，半导体电子工业经历了爆炸式增长。在过去的几十年中，技术定标是改进集成电路性能的主要驱动力，在这种驱动力作用下集成电路的速度与集成密度有了显著的改进，这些性能的改进使得对单片线路的功率分配成了一个困难的任务。以高时钟速度运行的高密度电路把分配电流增加到了几十安培，而电源的噪声容限的缩减是与电源电位的减少保持一致的。这些倾向把功率分配问题直接推到了开发高性能集成电路中挑战的最前沿。

本书的主要目的是为高速的、高度复杂的集成电路功率分布系统的功能及设计提供理论和实践基础。为达到这个目的，本书做了两个方面努力，第一描述整个功率分配系统的阻抗特性，从稳压器到印刷电路板，从包装的集成电路到单片电路的功率端；第二讨论单片功率分配网的电感特性及这些结构在相关电路中的性能。这本专题论文是以本书的第一作者从1998至2003年美国罗切斯特大学做博士论文时所进行的一系列研究为基础的，而这些研究工作是在本书第二作者的指导下进行的。

本书共分两部分，第一部分第1～8章，提供了对集成电路中功率分配的一般描述，介绍了功率分配面临的挑战，描述了设计功率配系统的原理，考察了去耦电容器体系。第1章绪论；第2章电子电路的电感性；第3章单片电感电流回路的性质；第4章电迁徙；第5章高性能功率分配系统；第6章单片功率分布网络；第7章计算机辅助设计与分析；第8章单片功率分布网的电感特性。第二部分为第9～14章，专注于单片功率分配网络的阻抗特性，研究了单片功率分配网络阻抗特性中的互连电感效应。讨论了这些阻抗特性与电路行为的关系，描述了用于功率分配网络的计算机辅助设计与分析的技术及算法。第9章网电感的变化与频率；第10章电感/面积/电阻之间的折中；第11章单片功率分配噪声的定标趋势；第12章多层网的阻抗特性；13章单片功率分配网络中的电感效应；第14章结论。

本书可供微电子学专业的研究人员、工程师及研究生阅读参考。

胡光华，高级软件工程师

(原中国科学院物理学研究所)

篇9

[关键词]NE555 晶闸管 光电耦合器 语音集成电路

中图分类号：TN407 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0222-01

1 引言

漏电是由电器外壳与相线接触后和大地之间产生一定的电位差形成多条电流通路造成。电器漏电现象不易觉察，加之电器产品质量参差不齐、电器老化、人们安全用电意识淡薄等原因，导致触电事故时有发生。因此，有必要设计一种电器漏电报警、保护电路，最大限度地降低用电事故的发生。

2 漏电报警、保护电路的实现

2.1 电路总体设计

系统主要包括光电耦合器、NE555多谐振荡器、语音集成电路、可控硅和继电器电路。其中光电耦合器用于隔离交流电路和报警、保护电路；NE555多谐振荡器用于控制语音集成电路和发光二极管进行有规律的报警；可控硅和继电器用于漏电发生时及时断开用电器电源。电路原理框图如图1所示。

当三孔插座的接地线有电流通过时，光电耦合器工作，触发振荡电路和断电保护电路，保护电路断开用电器电源。振荡电路输出脉冲触发声、光报警电路。

2.2 555振荡电路设计

555集成电路是一种将模拟与数字功能结合在同一芯片上的集成电路。它可以组成脉冲振荡电路、单稳、双稳和脉冲调试电路等。一般外接几个电阻、电容就能够设计成单稳态触发器、施密特触发器或多谐振荡器等脉冲产生变换电路。本设计中我们利用555设计成多谐振荡器，组成方波信号产生电路，以触发后面的声、光报警电路。电路如图2。

555集成芯片与电阻R1、R2、电容C1组成多谐振荡器。电路上电后，电容C1通过电阻R1和R2进行充电。此时，由于电容电压不能突变，故555处于置位状态，输出高电平。电容电压呈指数上升，当电压达到2/3Vcc时，RS触发器置位，经缓冲级倒相后输出低电平。当电容放电到1/3Vcc时，RS触发器复位，经缓冲级倒相后输出高电平。如此周而复始，形成无稳态多谐振荡。其中，电阻R1取、 R2取，电容C1取，周期为5s。

2.3 报警电路设计

报警电路选用NVC系列语音芯片NV020C。该芯片具有多种触发方式，如边沿触发、电平触发等，本设计采用电平触发。当电路接通电源时，由于电容的作用，芯片被瞬间触发。NVC芯片还内置一组PWM输出器，可直接驱动0.5W喇叭，且音质清晰，无需外接功放电路，一旦得电触发，便会发出内部烧录的声音。另外在555输出级上，连接一个低电平触发的发光二极管，555输出的低频振荡脉冲，在高电平时，语音芯片报警，低电平时发光二极管发光。电路如图3。

2.4 保护电路设计

保护电路主要包括晶闸管和继电器。晶闸管又称可控硅，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。可控硅不仅具有普通二极管的单向导电性，还可以对导通电流进行控制。具有以小电流（电压）控制大电流（电压）的作用。晶闸管在承受正向电压时，并不直接导通，只有在门极也承受正向电压时，晶闸管才导通。而一旦导通，就不再受门极的影响，只要有一定的正向电压，晶闸管就保持导通。本设计中利用晶闸管的可控性，与继电器连接后对漏电器进行断电保护。电器不漏电时，晶闸管呈截止状态，继电器自然吸合市电相线。电器漏电时，晶闸管导通，继电器上电动作，断开市电相线，从而切断用电器电源，避免事故发生。

2.5 电路总体设计

总体电路如图4所示。

当电器无漏电发生时，光电耦合器截止，报警和保护电路无法上电，电路不工作。当电器发生漏电时，光电耦合器导通，后续电路接通电源开始工作，555输出低频振荡脉冲，输出脉冲为高电平时，语音芯片开始工作，进行发声报警。脉冲为低电平时，发光二级管导通，进行发光报警。同时，晶闸管导通，继电器上电，断开电路相电，确保安全。

3 小结

本文设计的电路经过多次试验，能够实现电器漏电时的声、光报警与断电保护，能够最大限度地降低因电器漏电产生的安全隐患，具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 孙京红.家用电器漏电现象及处理[J].科技创新导报.2010（12）.

[2] 李健.555定时器及其应用[J].经营管理者.2009（04）.

[3] 刘浩.555时基电路原理及应用探讨[J].电子世界.2014（11）.

篇10

摘要：在集成电路的设计中，电阻器不是主要的器件，却是必不可少的。如果设计不当，会对整个电路有很大的影响，并且会使芯片的面积很大，从而增加成本。电阻在集成电路中有极其重要的作用。他直接关系到芯片的性能与面积及其成本。讨论了集成电路设计中多晶硅条电阻、mos管电阻和电容电阻等3种电阻器的实现方法。

关键词：集成电路  电阻  开关电容  cmos

        目前，在设计中使用的主要有3种电阻器：多晶硅、mos管以及电容电阻。在设计中，要根据需要灵活运用这3种电阻，使芯片的设计达到最优。

        1 cmos集成电路的性能及特点

        1.1 功耗低 cmos集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，cmos电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mw，动态功耗（在1mhz工作频率时）也仅为几mw。

        1.2 工作电压范围宽 cmos集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产cc4000系列的集成电路，可在3~18v电压下正常工作。

        1.3 逻辑摆幅大 cmos集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位vdd及电影低电位vss。当vdd=15v，vss=0v时，输出逻辑摆幅近似15v。因此，cmos集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。

        1.4 抗干扰能力强 cmos集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于vdd=15v的供电电压（当vss=0v时），电路将有7v左右的噪声容限。

        1.5 输入阻抗高 cmos集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护 网络 ，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011ω，因此cmos集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。

        1.6 温度稳定性能好 由于cmos集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，cmos电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而cmos集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 ~ +125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。

        1.7 扇出能力强 扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于cmos集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当cmos集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。

        2 cmos集成电路电阻的应用

        2.1 多晶硅电阻

集成电路中的单片电阻器距离理想电阻都比较远，在标准的mos工艺中，最理想的无源电阻器是多晶硅条。　   

        式中：ρ为电阻率；t为薄板厚度；r=(ρ/t)为薄层电阻率，单位为ω/；l/w为长宽比。由于常用的薄层电阻很小，通常多晶硅最大的电阻率为100 ω/，而设计规则又确定了多晶硅条宽度的最小值，因此高值的电阻需要很大的尺寸，由于芯片面积的限制，实际上是很难实现的。当然也可以用扩散条来做薄层电阻，但是由于工艺的不稳定性，通常很容易受温度和电压的影响，很难精确控制其绝对数值。寄生效果也十分明显。无论多晶硅还是扩散层，他们的电阻的变化范围都很大，与注入材料中的杂质浓度有关。不 容易 计算 准确值。由于上述原因，在集成电路中经常使用有源电阻器。

        2 mos管电阻

        mos管为三端器件，适当连接这三个端，mos管就变成两端的有源电阻。这种电阻器主要原理 是利用晶体管在一定偏置下的等效电阻。可以代替多晶硅或扩散电阻，以提供直流电压降，或在小范围内呈线性的小信号交流电阻。在大多数的情况下，获得小信号电阻所需要的面积比直线性重要得多。一个mos器件就是一个模拟电阻，与等价的多晶硅或跨三电阻相比，其尺寸要小得多。简单地把n沟道或p沟道增强性mos管的栅极接到漏极上就得到了类似mos晶体管的有源电阻。对于n沟道器件，应该尽可能地把源极接到最负的电源电压上，这样可以消除衬底的影响。同样p沟道器件源极应该接到最正的电源电压上。此时，vgs=vds，如图1（a)，(b)所示。图1（a)的mos晶体管偏置在线性区工作，图2所示为有源电阻跨导曲线id-vg s的大信号特性。这一曲线对n沟道、p沟道增强型器件都适用。可以看出，电阻为非线性的。但是在实际中，由于信号摆动的幅度很小，所以实际上这种电阻可以很好地工作。其中：k′=μ0c0x。可以看出，如果vds<(vgs-vt)，则id与vds之间关系为直线性（假定vgs与vds无关，由此产生一个等效电阻r=kl/w，k=1/［μ0c0x（vgs-vt）］，μ0为载流子的表面迁移率，c0x为栅沟电容密度；k值通常在1000～3000ω/。实验证明，在vds<0.5（vgs-vt）时，近似情况是十分良好的。图1（c)，(d)虽然可以改进电阻率的线性，但是牺牲了面积增加了复杂度。

        在设计中有时要用到交流电阻，这时其直流电流应为零。图1所示的有源电阻不能满足此条 件，因为这时要求其阻值为无穷大。显然这是不可能的。这时可以利用mos管的开关特性来实现。

         3 电容电阻

        交流电阻还可以采用开关和电容器来实现。经验表明，如果时钟频率足够高，开关和电容的组合就可以当作电阻来使用。其阻值取决于时钟频率和电容值。

        在特定的条件下，按照采样系统理论，在周期内的变化可忽略不计。

        其中，fc=1/t是信号φ1和φ2的频率。