第一章 模拟电路设计

1、CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计2022-1-11第一章第一章 模拟电路设计绪论模拟电路设计绪论杨红姣杨红姣2022-1-12目录目录课程介绍与参考教材课程介绍与参考教材IC产业的发展与中国现状产业的发展与中国现状模拟集成电路设计的概论模拟集成电路设计的概论CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计2022-1-13课程介绍与参考教材课程介绍与参考教材2022-1-14课程简介课程简介 本课程简介：本课程简介： 涵盖模拟设计技术领域核心内容；涵盖模拟设计技术领域核心内容； 注重基础知识的讲解；注重基础知识的讲解； 注重电路分析方法的讲解。注重电路分析方法的讲解。 教材教材: 模拟模拟CM

2、OS集成电路设计集成电路设计 西安交西安交大出版社大出版社2022-1-15如何保证学习效果如何保证学习效果按时上课按时上课u希望以封闭训练形式严格要求自己希望以封闭训练形式严格要求自己u自我约束，态度决定一切自我约束，态度决定一切按时预习、自习按时预习、自习u课堂的时间短，尽可能预习、复习课堂的时间短，尽可能预习、复习u许多基础知识需要自学许多基础知识需要自学高度负责完成作业高度负责完成作业u一些学习项目在课堂无法完成，想其他办法完成，如一些学习项目在课堂无法完成，想其他办法完成，如实践的项目多，需要课后完成实践的项目多，需要课后完成u按时交作业按时交作业EMAIL联系联系2022-1-16

3、 学习要求学习要求:课前预习课前预习,课后复习课后复习,按时上课按时上课,按时交作业按时交作业. 自学自学+听课听课+作业作业 (每每周四周四交作业交作业)。 考试方式考试方式:闭卷考试闭卷考试 考试成绩考试成绩(70%)平时平时(作业、考勤等作业、考勤等)成绩成绩(30%).学习要求及考试学习要求及考试2022-1-17参考教材参考教材课前预习教材课前预习教材P.R. Gray，Analysis and Design of Analog Integrated Circuits，2002，第四版。，第四版。P.E. Allen，CMOS Analog Integrated Circuits，2

4、002。R.J. Baker，CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation，2003。K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, 1996。2022-1-18参考教材参考教材参考教材参考教材R. Gregorian, Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing, 1986。T. Ytterdal, Device Modeling For Analog and RF CMOS Circuit Design, 2003。R. Plasshe, CMO

5、S Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters, 2003。M. Burns, an Introduction to Mixed Signal IC Test and Measurement, 2001。2022-1-19参考教材参考教材参考期刊参考期刊 IEEE Journal of Solid State Circuits IEEE Transactions on Electron Devices IEEE Electron Device Letters IEEE Trans. on Circuits and

6、Systems-II: Analog and Digital Signal Processing IEEE transactions on circuits and systems IEEE transactions on consumer electronics IEE Electronics Letters Analog Integrated Circuits and Signal Processing Solid-State ElectronicsCMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计2022-1-1102022-1-111目录目录 集成电路的发展规律与广泛应用集成电路的发展规律与广泛

7、应用 集成电路发展的热门技术集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1-112目录目录集成电路的发展规律与广泛应用集成电路的发展规律与广泛应用 集成电路发展的热门技术集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1-113集成电路集成电路(IC)的发展（的发展（1） 1947年，肖克利和他的两助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室工作时发明点接触式晶体管。 19

8、56年，晶体管的发明获诺贝尔物理学奖。2022-1-114世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机2022-1-115 19541954年贝尔实验室年贝尔实验室使用使用800800只晶体管只晶体管组装了世界上第一组装了世界上第一台晶体管计算机台晶体管计算机TRADICTRADIC。 2022-1-116集成电路集成电路(IC)的发展（的发展（2） KilbyKilby于于19581958年年发明了世界上发明了世界上第一块集成电第一块集成电路，并于路，并于20002000年获得诺贝尔年获得诺贝尔物理学奖物理学奖12个器件，个器件，Ge晶片晶片2022-1-117摩尔定律摩尔定律Technol

9、ogy (um)0.250.180.150.130.100.07Year199719992001200320062009# transistors11M21M40M76M200M520MOn-Chip Clock (MHz)75012001400160020002500Area (mm2)300340385430520620Wiring Levels66-7777-88-9Godon Moore是是Intel公司的创始人之一，公司的创始人之一，1956年他曾对半导体技术的发展作出预言：年他曾对半导体技术的发展作出预言： 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔、集成电路芯片上所集成的电路的数

10、目，每隔18个月个月就翻一番；就翻一番；2、微处理器的性能每隔、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降个月提高一倍，而价格下降一半。一半。2022-1-118 发展规划代次的指标第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代时间(每代10年)19751985197519851985199519851995199520051995200520052015200520152015202520152025光刻光源波长nm436436365365248248193193特征尺寸m每代缩小约1/31110.3510.350.350.090.350.090.090.0320.090.

11、0320.0320.0100.0320.010DRAM主流产品Bit数1M1M4M16M4M16M64M256M64M256M1G4G1G4G16G16GCPU代表产品80863868086386Pentium ProPentium ProP4P4多核架构多核架构突破功耗突破功耗CPU 晶体管数10104 4-10-105 510106 6-10-107 710108 8-10-109 9CPU时钟频率MHz每代增10倍(2-33)(2-33)10100 0-10-101 1(33-200)(33-200)10101 1-10-102 2(200-3800)(200-3800)10102 2-

12、10-103 3非主频非主频衡量标准衡量标准Wafer直径(英寸)4-64-66-86-88-128-1212-1612-162022-1-119集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管集成电路特性的改善和成本的降低主要是通过晶体管几何尺寸持续不断地减小得以实现的。几何尺寸持续不断地减小得以实现的。集成电路工艺的发展和进步Performance / Cost Market Growth20002005201020152020110100GATE LENGTH (nm)YEAR LOW POWER HIGH PERFORMANCEITRS，International Technology

13、Roadmap for SemiconductorsTransistor ScalingPITCHInvestment YEAR:20042007201020122014HALF-PITCH:65 nm45 nm32 nm22 nm15 nm2022-1-120当前国际集成电路技术的发展趋势 集成电路的特征尺寸向纳米尺度发展。集成电路的特征尺寸向纳米尺度发展。2017-20192017-2019年：开始基于年：开始基于8nm8nm或或5nm5nm工艺进行批量生产工艺进行批量生产 2022-1-121当前国际集成电路技术的发展趋势晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为晶圆的尺寸增加，当前的主流晶

14、圆的尺寸为8英英寸，已向寸，已向12英寸迈进，并出现英寸迈进，并出现18英寸晶圆。英寸晶圆。450/300/200mm450/300/200mm晶圆对比晶圆对比2022-1-122当前国际集成电路技术的发展趋势l 集成电路的规模不断提高。集成电路的规模不断提高。l 集成电路的速度不断提高。集成电路的速度不断提高。l 集成电路的复杂度不断提高，集成电路的复杂度不断提高，SOC成为开发的目成为开发的目标。标。l SOC电路设计向电路设计工程师提出更高的挑战。电路设计向电路设计工程师提出更高的挑战。2022-1-123 无生产线集成电路设计技术Fabless Design HouseChipless

15、Foundry芯片芯片 工艺文件工艺文件版图文件版图文件2022-1-124当前国际集成电路技术的发展趋势l 集成电路制造能力与设计能力之间的剪刀差。集成电路制造能力与设计能力之间的剪刀差。主流集成电路设计能力跟不上制造复杂度的增长主流集成电路设计能力跟不上制造复杂度的增长90nm vs 32nm or 45nm2022-1-125当前国际集成电路技术的发展趋势l 集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润，集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润，导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，集成电导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，集成电路产业的发展具有明显的周期性。路产业的发展具有明显的

16、周期性。l工艺线建设投资的费用越来越高。工艺线建设投资的费用越来越高。l 集成电路的掩模费很贵。每套掩模的寿命有限。集成电路的掩模费很贵。每套掩模的寿命有限。l 工艺线走代工（工艺线走代工（Foundry）的经营道路。）的经营道路。l 电路设计、工艺制造和封装的分立运行即垂直分工。电路设计、工艺制造和封装的分立运行即垂直分工。2022-1-126 九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米从亚微米(0.5到到1微米微米)进入到深亚微米进入到深亚微米(小于小于0.5微米微米)，进而进入到超深亚微米进而进入到超深亚微米(小于小于0.25微米微米)。

17、其主要特点：。其主要特点： 特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快时钟速度越来越快 电源电压越来越低电源电压越来越低 布线层数越来越多布线层数越来越多 I/O引线越来越多引线越来越多 集成电路工艺的发展特点和规律集成电路工艺的发展特点和规律2022-1-127系统知识。电路知识。工具知识。工艺知识。集成电路设计者所需要的知识：各方向交叉2022-1-128IC 设计领域及其工种介绍l（一）（一）模拟与混号信号电路设计模拟与混号信号电路设计ICIC电路可分为为模拟电路可分为为模拟ICIC与数字与数字I

18、CIC两大类，以及两者两大类，以及两者兼具的混合信号等三种。在兼具的混合信号等三种。在 IC IC 设计领域中，模拟人才设计领域中，模拟人才最为缺乏，相对而言模拟最为缺乏，相对而言模拟 / / 混合信号设计工程师的人混合信号设计工程师的人才养成也最为困难，一般而言最起码需要才养成也最为困难，一般而言最起码需要 2 2 3 3 年的年的经验才能完全上手，但也因为人才养成不易，具备模拟经验才能完全上手，但也因为人才养成不易，具备模拟 / / 混合信号专业技术的工程师身价个个不凡。混合信号专业技术的工程师身价个个不凡。 一般而言，具备电子背景的人学习模拟与混合信号一般而言，具备电子背景的人学习模拟与

19、混合信号领域的知识会比较容易入门，若非相关科系的话，则必领域的知识会比较容易入门，若非相关科系的话，则必须强化理论基础以及实作能力，方能与科班出身的学员须强化理论基础以及实作能力，方能与科班出身的学员竞争，不过若有心从事这一行的话，只要肯下苦工扎实竞争，不过若有心从事这一行的话，只要肯下苦工扎实工夫，从学习过程中逐步累积经验，必能走出自己的一工夫，从学习过程中逐步累积经验，必能走出自己的一片天。片天。 2022-1-129IC 设计领域及其工种介绍 （二）数字电路设计（二）数字电路设计 传统的电路设计工作是一项需要累积丰富经验以及传统的电路设计工作是一项需要累积丰富经验以及长期努力的专业性工作

20、，除了电子科系科班出身的从业长期努力的专业性工作，除了电子科系科班出身的从业人员之外，其它工程背景的人士想要跨入这个领域都会人员之外，其它工程背景的人士想要跨入这个领域都会面临到很大的障碍和挑战。但是近年来这个情况已经产面临到很大的障碍和挑战。但是近年来这个情况已经产生很大的变化，首先是各种消费性电子产品的生命周期生很大的变化，首先是各种消费性电子产品的生命周期不断缩短，而系统的功能性和复杂度却不断攀升，许多不断缩短，而系统的功能性和复杂度却不断攀升，许多的功能需要使用相当程度的特定背景知识和足够复杂的的功能需要使用相当程度的特定背景知识和足够复杂的算法才能具体描述，使得纯逻辑设计专业工程师不

21、足以算法才能具体描述，使得纯逻辑设计专业工程师不足以应付完整的产品设计工作，应用技术背景的工程师加入应付完整的产品设计工作，应用技术背景的工程师加入 IC IC 设计成为必要的趋势。设计成为必要的趋势。2022-1-130IC 设计领域及其工种介绍 （三）集成电路布局设计（三）集成电路布局设计 虽然大部分的公司要求布局工程师必须是电子、电虽然大部分的公司要求布局工程师必须是电子、电机、信息相关科系出身，但其实一般学校的这些科系并机、信息相关科系出身，但其实一般学校的这些科系并不会教授学生布局相关的知识，绝大多数都是进了公司不会教授学生布局相关的知识，绝大多数都是进了公司以后再从头学起，想要学得

22、相关技术，多半是要靠经验以后再从头学起，想要学得相关技术，多半是要靠经验累积，经验的累积需要时间，也因此各领域的布局人才累积，经验的累积需要时间，也因此各领域的布局人才一直是处于需求大于供给的状态。一直是处于需求大于供给的状态。2022-1-131半导体设计公司的职务及工作内容生产线技术员：生产线技术员：并非所有的半导体设计公司都有生并非所有的半导体设计公司都有生产线技术员的需求，多数半导体设计公司仅以研发产线技术员的需求，多数半导体设计公司仅以研发人员为主，但部分的公司则因设有产品测试部门，人员为主，但部分的公司则因设有产品测试部门，因此需要生产线的作业员。这部分的员工需求以女因此需要生产线

23、的作业员。这部分的员工需求以女性为主，学历要求多为高中职以上毕业。性为主，学历要求多为高中职以上毕业。 品管工程师：品管工程师：多数公司要求新进人员的学历为大学多数公司要求新进人员的学历为大学以上，主要工作为进行半导体产品的质量管理作业。以上，主要工作为进行半导体产品的质量管理作业。行销、企划工程师：行销、企划工程师：多数公司要求新进人员的学历多数公司要求新进人员的学历为企管硕士，最好大学能主修理工科系为企管硕士，最好大学能主修理工科系, , 以便在进以便在进行产品行销、企划的沟通过程中，能同时与技术人行产品行销、企划的沟通过程中，能同时与技术人员、销售人员进行更紧密的合作。其工作范围大致员、

24、销售人员进行更紧密的合作。其工作范围大致包括产品规划、企划、市场研究等。包括产品规划、企划、市场研究等。2022-1-132半导体设计公司的职务及工作内容业务工程师：业务工程师：多数公司要求新进人员个性以积极主动多数公司要求新进人员个性以积极主动为佳。主要工作领域为进行公司相关产品业务的拓展，为佳。主要工作领域为进行公司相关产品业务的拓展，因此，外语能力的要求较高。因此，外语能力的要求较高。产品研发工程师：产品研发工程师：多数公司要求新进人员的学历为大多数公司要求新进人员的学历为大学以上电子、电机相关系所毕业，主要是进行半导体学以上电子、电机相关系所毕业，主要是进行半导体产品的设计与开发工作。

25、产品的设计与开发工作。电路设计工程师：电路设计工程师：多数公司要求新进人员最好能熟悉多数公司要求新进人员最好能熟悉 CAD/CAM CAD/CAM 的操作，以利于在工作站、的操作，以利于在工作站、 PC PC 上进行电路上进行电路设计工作。设计工作。2022-1-133半导体设计公司的职务及工作内容CAD CAD 工程师：工程师：多数公司会要求新进人员要熟悉多数公司会要求新进人员要熟悉 IC IC 设设计方法及设计软件。计方法及设计软件。 应用工程师：应用工程师：主要工作为进行主要工作为进行 IC IC 产品的应用开发工产品的应用开发工作。作。封装工程师：封装工程师：主要工作为进行公司所需封装

26、技术的研主要工作为进行公司所需封装技术的研究开发，有的是要与其后段的封装厂商进行搭配。究开发，有的是要与其后段的封装厂商进行搭配。测试工程师：测试工程师：在在 IC IC 设计公司中，这部分的工作包括设计公司中，这部分的工作包括有前段的测试与后段的成品测试工作，目前而言，前有前段的测试与后段的成品测试工作，目前而言，前段的测试多仍在晶圆厂内部进行，后段的成品测试工段的测试多仍在晶圆厂内部进行，后段的成品测试工作则部分采外包、部分由自己公司来自行进行测试。作则部分采外包、部分由自己公司来自行进行测试。软件工程师：软件工程师：主要工作为进行公司所设计的硬件产品主要工作为进行公司所设计的硬件产品之软

27、件开发，例如驱动程序等。之软件开发，例如驱动程序等。2022-1-134IC技术的应用技术的应用2022-1-135市场及其发展规律（市场及其发展规律（1）资料来源：资料来源：WSTS. 00/540多年来，集成电路市场的成长迅多年来，集成电路市场的成长迅速，基本上是一条指数发展规律。速，基本上是一条指数发展规律。2022-1-136市场及其发展规律（市场及其发展规律（2）ICIC市场的波动性市场的波动性, ,约十年一个涨落周期。约十年一个涨落周期。2022-1-137市场及其发展规律（市场及其发展规律（3）1998 2010年世界半导体市场增长预测年世界半导体市场增长预测2022-1-138

28、目录目录 集成电路的发展规律与广泛应用集成电路的发展规律与广泛应用集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1-139SOC的工作开始于的工作开始于20世纪世纪90年代年代,虽然对虽然对SOC至今尚无非常至今尚无非常明确的定义，但一般认为，采用深亚微米（明确的定义，但一般认为，采用深亚微米（DSM）工艺技术，）工艺技术，IP核的复用和软硬件协同设计是核的复用和软硬件协同设计是SOC的三大技术特征。的三大技术特征。 SOC的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功的

29、出现使集成电路发展成为集成系统，整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。能将可以集成到一块芯片中。 SOC就是将微处理器、模拟就是将微处理器、模拟IP核、数字核、数字IP核和存储器（或片核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单一芯片上。它通常是客户定制的外存储控制接口）集成在单一芯片上。它通常是客户定制的(CSIC)，或是面向特定用途的标准产品，或是面向特定用途的标准产品(ASSP)。 据预测，据预测，SOC销售额将从销售额将从2002年的年的136亿美元，增长到亿美元，增长到2007年的年的347亿美元，年增长率超过亿美元，年增长率超过20%。 从分立元件到集成电路再到从分立元件到集成电路

30、再到SOC，这是微电子领域的重大革命。，这是微电子领域的重大革命。21世纪，集成电路将进入世纪，集成电路将进入SOC时代。时代。SOC设计技术的革命平台2022-1-140典型典型SOC芯片芯片2022-1-141PLLPLLA/DA/DD/AD/AClockControllerJTAGJTAGUARTUARTMCUMCUMMUMMUI2CI2CCPUCPUKeyboard I/FUSBControllerLCDControllerDMAControllerMemoryControllerOSCOSCEmbededMemory2022-1-142 首先是微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯首

31、先是微电子加工技术的发展，已经使得在单个芯片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。片上制作电子系统所需要的几乎所有元件有了可能。 其次，几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于其次，几十年来集成电路的设计能力的增长滞后于工艺技术的发展，在深亚微米（工艺技术的发展，在深亚微米（DSM）阶段变的更）阶段变的更加突出，因而加突出，因而SOC设计技术应运而生。设计技术应运而生。 第三，电子系统发展的需要，利用第三，电子系统发展的需要，利用SOC可以大大减可以大大减少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，少所使用的元件数量，提高产品性能，降低能耗，缩小体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条缩小

32、体积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。件下，可以实现更高的性能指标。2022-1-143 IP（Intellectual Property)核是核是SOC的建造基础。的建造基础。 今天所称的今天所称的IP是指那些较高集成度并具有完整功能是指那些较高集成度并具有完整功能的单元模块，如的单元模块，如MPU、DSP、DRAM、FLASH等模等模块。块。 IP模块的再利用，除了可以缩短模块的再利用，除了可以缩短SOC芯片的设计时芯片的设计时间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠间外，还能大大降低设计和制造的成本，提高可靠性。性。 2022-1-144IP核从技术层

33、面上可分为软核、固核、硬核三种核从技术层面上可分为软核、固核、硬核三种 从满足从满足SOC的设计要求来说，它必须有四个特征：的设计要求来说，它必须有四个特征：必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。必须是符合设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。 必须是经多次优化设计，达到通常的必须是经多次优化设计，达到通常的“四最四最”（芯片面（芯片面积最小，运算速度最快，功耗最小，工艺容差最大）的积最小，运算速度最快，功耗最小，工艺容差最大）的目标。目标。 必须是允许多家公司在支付一定费用后商业运用的，而必须是允许多家公司在支付一定费用后商业运用的，而不是本公司内部专用的。不是本公司内部专用的。 必须

34、符合必须符合IP标准。标准。1996年年9月，世界月，世界35个著名公司组成个著名公司组成一个国际性企业联合组织棗虚拟插座接口联盟一个国际性企业联合组织棗虚拟插座接口联盟VSIA。2022-1-145 数字、模拟电路混合的混合信号数字、模拟电路混合的混合信号（Mixed Signal）IC设计成为设计成为ASIC/SoC设设计中最常出现的需求，尤其是通信领域混合计中最常出现的需求，尤其是通信领域混合信号信号IC设计方法也由原来的功能设计向功能设计方法也由原来的功能设计向功能组装的方向发展。组装的方向发展。2022-1-146 首先，数字技术是一种人工编码技术，而自然界首先，数字技术是一种人工编

35、码技术，而自然界的监测对象和控制对象，如声、光、温度的监测对象和控制对象，如声、光、温度全是全是连续变化的连续变化的“模拟量模拟量”。数字技术不可能直接监。数字技术不可能直接监测和直接控制。实现这一接口功能的正是模拟电测和直接控制。实现这一接口功能的正是模拟电路。路。 其次，数字信号只能有线传输（利用双绞线，同其次，数字信号只能有线传输（利用双绞线，同轴线，光缆等等）。采用射频载波的调制和解调，轴线，光缆等等）。采用射频载波的调制和解调，才能完成无线发射和接收。这又是非模拟电路不才能完成无线发射和接收。这又是非模拟电路不可的用场。可的用场。 再次，任何数字系统都必须有电源的控制和管理。再次，任

36、何数字系统都必须有电源的控制和管理。在移动式数字系统中，电源控制和电源管理的问在移动式数字系统中，电源控制和电源管理的问题更加突出。题更加突出。2022-1-147 嵌入式模拟嵌入式模拟IC和高性能模拟和高性能模拟IC是当前模拟是当前模拟IC发展的发展的两大趋势两大趋势 采用标准采用标准CMOS工艺设计制造工艺设计制造A/D、D/A转换器，转换器，RF电路等典型模拟电路和混合信号电路已经成为电路等典型模拟电路和混合信号电路已经成为业内热点。业内热点。 采用采用CMOS工艺设计模拟工艺设计模拟IC的工作难度，高于设计的工作难度，高于设计数字数字IC。 2022-1-148目录目录 集成电路的发展

37、规律与广泛应用集成电路的发展规律与广泛应用 集成电路发展的热门技术集成电路发展的热门技术中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状中国集成电路的现状 中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1-149IC的历史的历史 1955年年5所学校在北大联合创建半导体专业所学校在北大联合创建半导体专业 北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学 教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英 1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路年在北京大学诞生第一块大规模集成电路 1982年，中国

38、成立电子计算机和大规模集成电路领导小年，中国成立电子计算机和大规模集成电路领导小组（主任：万里）组（主任：万里） 80年代：初步形成产业链年代：初步形成产业链 制造业制造业 设计业设计业 封装业封装业 21世纪：进入快速增长时期世纪：进入快速增长时期2022-1-150中国中国IC投资的热点投资的热点 随着经济高速发展对集成电路产品持续增长的需求，随着经济高速发展对集成电路产品持续增长的需求，中国将成为全球第二大集成电路市场中国将成为全球第二大集成电路市场. 2002年，全球年，全球IC产业的规模为产业的规模为1228亿美元，中国的亿美元，中国的市场规模达到了市场规模达到了1000亿元人民币；

39、到亿元人民币；到2005年，全球年，全球规模达到规模达到3000亿美元，而中国将达到亿美元，而中国将达到2000亿元人民亿元人民币。币。 目前，中国的集成电路产品以进口为主目前，中国的集成电路产品以进口为主. 从从2000年开始，国际上的集成电路巨头就开始向中年开始，国际上的集成电路巨头就开始向中国挺进。分析师将这一战略的转移称为国挺进。分析师将这一战略的转移称为“IC向中国向中国迁移迁移”。2022-1-151目录目录 集成电路的发展规律与广泛应用集成电路的发展规律与广泛应用 集成电路发展的热门技术集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史中国集成电路的现状中国集成

40、电路的现状 中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1中国信息技术趋势大会上专家指出，年中国信息技术趋势大会上专家指出，ICIC技术是技术是ITIT领域热领域热点技术之一；点技术之一；ICIC是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。是整个电子信息产业乃至国民经济的基础。 目前我国的半导体集成电路生产分为三大类：目前我国的半导体集成电路生产分为三大类：IC设计公司（设计公司（Fabless，无生产线，无生产线 ）国内半导体芯片厂家的主流产品是国内半导体芯片厂家的主流产品是5至至6英寸硅片，英寸硅片，大约占总量的三分之二强。随着上海华虹大约占总量的三分之二

41、强。随着上海华虹NEC公司公司8英寸生产线的投产，英寸生产线的投产，6至至8英寸硅片的需求量将上升。英寸硅片的需求量将上升。芯片加工厂（芯片加工厂（Foundry）我国集成电路芯片制造业现己相对集中我国集成电路芯片制造业现己相对集中,主要分布在主要分布在上海、北京、江苏、浙江等省市。上海、北京、江苏、浙江等省市。 后工序（测试、封装、设备）后工序（测试、封装、设备）其中其中IC设计以人为主，脑力密集型，属高回报产业。设计以人为主，脑力密集型，属高回报产业。2022-1-153芯片制造销售渠道封装测试整机厂商设计设备、材料芯片制造销售渠道封装测试整机厂商设计设备、材料 集成电路的产业链条包括设计

42、、制造、封装三个环节，技集成电路的产业链条包括设计、制造、封装三个环节，技术含量逐步降低。设计环节处于整个产业链条的上游，技术含术含量逐步降低。设计环节处于整个产业链条的上游，技术含量最高。量最高。目前，国内的集成电路产业仍以封装为主。今后几年我国目前，国内的集成电路产业仍以封装为主。今后几年我国芯片设计产业的增长将快于集成电路产业整体增长速度。芯片设计产业的增长将快于集成电路产业整体增长速度。 总体来看，处于产业链上端的集成电路设计业从无到有，总体来看，处于产业链上端的集成电路设计业从无到有，从小到大，企业数量急剧增加；中端的集成电路制造业超常规从小到大，企业数量急剧增加；中端的集成电路制造

43、业超常规发展，已建立晶园代工；下游的集成电路封装测试代工发展迅发展，已建立晶园代工；下游的集成电路封装测试代工发展迅猛；配套的半导体设备和材料业正在崛起中。猛；配套的半导体设备和材料业正在崛起中。2022-1-154IC设计企业地区分布设计企业地区分布2022-1-155中国中国IC区域生产规模区域生产规模2003年统计2022-1-156目前中国大陆集成电路产业主要聚集于目前中国大陆集成电路产业主要聚集于三个区域三个区域中西部地区中西部地区环渤海地区环渤海地区IC设计：威盛、大唐微电子、华大、北京海尔IC制造：中芯国际（天津）（原Motorola天津半导体厂）、首钢NEC、中芯环球（在建）I

44、C封测：瑞萨四通珠江三角洲地区珠江三角洲地区IC设计：华为、中兴深圳国微、珠海科广IC制造：珠海南科、深圳超大（在建）IC封测：深圳赛意法长江三角洲地区长江三角洲地区IC设计：上海华虹、复旦微电子IC制造：中芯国际、华虹NEC、上海宏力、上海先进、上海贝岭、TSMC松江厂（在建）、无锡华润、和舰科技、杭州士兰、绍兴华越、杭州友旺IC封测：上海英特尔、上海松下、上海金朋、苏州瑞萨、江苏长电、南通富士通、AMD（苏州）、英飞凌（无锡）2022-1-1572022-1-158p据不完全统计，据不完全统计，20102010年全行业销售额有望年全行业销售额有望达到达到550550亿元人民币，比亿元人民币

45、，比20092009年增长年增长45%45%。占全球设计业的份额提升到占全球设计业的份额提升到11.85% 11.85% 1010年间全行业年均复合增长率达到年间全行业年均复合增长率达到45%45%p产品结构调整迈出重要步伐产品结构调整迈出重要步伐继续保持传统领域的优势：智能卡、继续保持传统领域的优势：智能卡、多媒体处理芯片等多媒体处理芯片等高端芯片产品不断涌现：网络及通讯芯片、移动终端高端芯片产品不断涌现：网络及通讯芯片、移动终端核心芯片、平板电脑核心芯片、移动互联网终端芯片、核心芯片、平板电脑核心芯片、移动互联网终端芯片、数字电视芯片、电子支付芯片和数字电视芯片、电子支付芯片和CMOSCM

46、OS摄像头芯片等摄像头芯片等2022-1-1592022-1-160国内成功IC设计企业与本土系统整机企业共同起飞 第一波第一波(2003年前年前)： 智能卡市场智能卡市场 代表企业：华大、复旦微、同方微电子、华虹代表企业：华大、复旦微、同方微电子、华虹 、大唐微电子、大唐微电子 第二波第二波(03年年-07年年)： 便携消费类便携消费类 代表企业：中星微、炬力、瑞芯微、君正、芯邦微电子、朗科、代表企业：中星微、炬力、瑞芯微、君正、芯邦微电子、朗科、珠海全胜、华芯飞珠海全胜、华芯飞 第三波第三波(05年年-)：通信手机通信手机 代表企业：海思、中兴、晶门、展讯、代表企业：海思、中兴、晶门、展讯

47、、RDA、泰景、格科微、泰景、格科微、艾为、圣邦微电子、创毅视讯、美新半导体、敦泰艾为、圣邦微电子、创毅视讯、美新半导体、敦泰 数字电视数字电视/家庭家庭 代表企业：澜起科技、中天联科、杭州国芯、艾科、华亚代表企业：澜起科技、中天联科、杭州国芯、艾科、华亚 第四波第四波(08年年-)：移动互联网移动互联网 代表企业：瑞芯微、君正、代表企业：瑞芯微、君正、盛大、腾讯、新岸线、中微电盛大、腾讯、新岸线、中微电LED照明照明/新兴应用新兴应用代表企业：长运通、明微、天利、辉芒、联德合代表企业：长运通、明微、天利、辉芒、联德合2022-1-161目录目录 集成电路的发展规律与广泛应用集成电路的发展规律

48、与广泛应用 集成电路发展的热门技术集成电路发展的热门技术 中国集成电路发展的历史中国集成电路发展的历史 中国集成电路的现状中国集成电路的现状中国集成电路对人才的需求中国集成电路对人才的需求2022-1-162q 国际产业转移为集成电路市场的增长提供了广阔的空间国际产业转移为集成电路市场的增长提供了广阔的空间q 电子信息制造业持续高速发展为集成电路市场的增长电子信息制造业持续高速发展为集成电路市场的增长 提供了有力保障提供了有力保障q 技术升级与发展成为集成电路市场增长的新一轮推动力技术升级与发展成为集成电路市场增长的新一轮推动力 q 应用创新成为集成电路市场新的增长点应用创新成为集成电路市场新

49、的增长点 q 设计业水平相对落后制约了市场应用的发展设计业水平相对落后制约了市场应用的发展 q 芯片制造产能集中释放导致恶性价格竞争芯片制造产能集中释放导致恶性价格竞争 q 高级人才缺乏制约集成电路应用水平提高高级人才缺乏制约集成电路应用水平提高 市场影响因素分析市场影响因素分析2022-1-163典型的产业转移路径典型的产业转移路径 美国美国台湾地区台湾地区日本日本中国大陆中国大陆欧洲欧洲日本日本韩国韩国美国美国台湾地区台湾地区东南亚东南亚墨西哥墨西哥中国大陆中国大陆全球电子制造产业转移为中国大陆集全球电子制造产业转移为中国大陆集成电路市场增长提供了广阔的空间成电路市场增长提供了广阔的空间2

50、022-1-164产业融合带来新的市场机会产业融合带来新的市场机会通讯通讯多媒体多媒体计算机计算机消费电子消费电子仪器仪表仪器仪表电子设备电子设备军事电子军事电子微系统微系统IC设计：设计：SOC技术与深亚微米技术与深亚微米技术技术各领域信息化各领域信息化电子化电子化芯片制造、封装、芯片制造、封装、测试测试2022-1-165产业规划与政策支持产业规划与政策支持q 制定中长期的战略规划，优先发展集成电路产业，引导和鼓励集成电路企业。 十一五规划十一五规划 20102010年电子信息产业发展规划年电子信息产业发展规划q 加大对集成电路产业的投资，促进产学研相结合，对关键技术进行重点攻关。 科技部

51、科技部“863863”专项发展基金专项发展基金 信息产业部电子发展基金信息产业部电子发展基金q 制定优惠的政策吸引港澳台资、外资及民营资本的投入。 在增值税、关税、个人所得税等方面给予优惠在增值税、关税、个人所得税等方面给予优惠 减免土地使用费、水电费等减免土地使用费、水电费等 人才培养政策人才培养政策 投融资政策等投融资政策等2022-1-1662022-1-167国内国内IC设计尚待成熟设计尚待成熟 面对各领域需求，面对各领域需求，ICIC设计技术亟待提升设计技术亟待提升 中低档产品为主，主流技术水平中低档产品为主，主流技术水平 0.350.35微米微米- 0.18- 0.18微米微米。互

52、互联联网网物物联联网网医医疗疗电电子子汽汽车车电电子子数数字字装装备备数数字字家家庭庭新新能能源源电电子子集成电路集成电路 &嵌入式系统嵌入式系统发展发展IC设计和潜入式系统，是新型战略产业的牵引抓手。设计和潜入式系统，是新型战略产业的牵引抓手。2022-1-168集成电路设计滞后现象集成电路设计滞后现象2022-1-169综合人才的需求综合人才的需求EfficiencyProfessional专业人才专业人才综合人才综合人才2022-1-170集成电路设计工程师薪资水平 据上海交大正源企业咨询有限公司对集成电路行业薪资福利的调研显示，集成电路行业的薪资与其他行业相比，还是处于较高位置

53、，明显优于电子电气和消费品等行业。电路设计（模拟）职位，其年薪现金收入平均值为118922元；电路设计年薪现金收入平均值为117696元；系统工程师年薪现金收入平均值为107523元。其他岗位依次为，算法工程师104876元；软件工程师95970元；CAD工程师95309元；产品工程师93113元；测试工程师83873元；版图工程师77301元；FAE工程师71384元。2005年年CMOS模拟集成电路设计模拟集成电路设计2022-1-171模拟集成电路设计的概论模拟集成电路设计的概论2022-1-172当前国际集成电路发展趋势当前国际集成电路发展趋势(1) 集成电路是当代信息技术的一大基石。

54、在人类社会进入信息集成电路是当代信息技术的一大基石。在人类社会进入信息化社会的革命化过程中，集成电路正在迅速发展。在材料研化社会的革命化过程中，集成电路正在迅速发展。在材料研究和工艺开发的基础之上，集成电路的开发和生产作为微电究和工艺开发的基础之上，集成电路的开发和生产作为微电子学发展的结晶而创造出巨大的物质财富。当前国际集成电子学发展的结晶而创造出巨大的物质财富。当前国际集成电路趋势是路趋势是: 集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的主流工艺是集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的主流工艺是0.35/0.25/0.18um工艺，而工艺，而0.13um工艺己经走向规模化生工艺己经走向规模化

55、生产产; 晶圆的尺寸在增大，当前的主流晶圆的尺寸为晶圆的尺寸在增大，当前的主流晶圆的尺寸为8英寸，正在英寸，正在向向12英寸晶圆迈进英寸晶圆迈进; 集成电路的规模不断提高，最先进的集成电路的规模不断提高，最先进的CPU已达到已达到2800万只万只晶体管，晶体管，DRAM已达已达Gb规模规模; 集成电路的速度不断提高，采用集成电路的速度不断提高，采用0. 18um CMOS工艺实现的工艺实现的CPU主时钟己达主时钟己达800MHz，实现的超高速数字电路速率已超，实现的超高速数字电路速率已超过过4Gbit/s，射频电路的最高工作频率已达，射频电路的最高工作频率已达3GHz;2022-1-173当前

56、国际集成电路发展趋势当前国际集成电路发展趋势(2) 集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SOC(System-on-Chip)成为开发目标成为开发目标; 模拟数字混合集成己向设计工程师提出了挑战模拟数字混合集成己向设计工程师提出了挑战; 设计能力明显落后于工艺制造能力设计能力明显落后于工艺制造能力; 集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润导致世界集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，目前已经出现了过剩范围内集成电路生产线的大量建设，目前已经出现了过剩局面局面; 工艺线建设投资费用越来越高，目前一

57、条工艺线建设投资费用越来越高，目前一条8英寸、英寸、0.35um工艺线的投资约工艺线的投资约20亿美元，但在几年后，一条亿美元，但在几年后，一条12英寸、英寸、0.18um工艺线的投资将会超过工艺线的投资将会超过100亿美元亿美元; 工艺线投资的高成本和设计能力的普遍落后，导致多数工工艺线投资的高成本和设计能力的普遍落后，导致多数工艺线走向代工艺线走向代工(Foundry)的经营道路的经营道路; 电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线(Fabless)和无芯片和无芯片(Chipless)集成电路设计，为微电子集成电路设计，为微电子领域发

58、展知识经济提供了条件。领域发展知识经济提供了条件。2022-1-174集成电路的特点集成电路的特点电路结构与元件参数具有对称性；电路结构与元件参数具有对称性；u同一硅片，相同工艺同一硅片，相同工艺元件特性相同。元件特性相同。大电阻不易集成；大电阻不易集成；u硅半导体的体电阻硅半导体的体电阻阻值范围不大（几十欧到几十阻值范围不大（几十欧到几十K欧）欧）,u误差大（误差大（10%到到20%)；尽量少用电阻；尽量少用电阻,常用有源器件代替常用有源器件代替无源器件。无源器件。采用复合结构的电路采用复合结构的电路u电路中多采用复合管、共射电路中多采用复合管、共射-共基、共集共基、共集-共基等组合电路。共

59、基等组合电路。级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容级间采用直接耦合方式（级间耦合：阻容直接）直接）u大电容不易集成。大电容不易集成。PN结电容结电容几十皮法以下。几十皮法以下。2022-1-175集成电路分类集成电路分类 集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个集成电路：在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路。功能的电子电路。 模拟集成电路，数字集成电路。模拟集成电路，数字集成电路。 模拟集成电路：模拟集成电路： 运算放大器、宽频带放大器、运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、功率放大器、

60、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电压集成电路等。稳压电压集成电路等。2022-1-1761.1 why analog?1.1.1 analog signals versus digital signals 信号的定义：任何可检测到的电压、电流或电荷信号的定义：任何可检测到的电压、电流或电荷的信息。信号将传输一个物理系统的信息（状态的信息。信号将传输一个物理系统的信息（状态或行为）。或行为）。 信号的分类：信号的分类：analog signals, digital signalsAnalog signals：在连续时间范围内有连续幅度变化：在连续时间范围内有连