本书详细介绍CMOS数字集成电路的相关内容，为反映纳米级别CMOS技术的广泛应用和技术发展，全书在第三版的基础上对晶体管模型公式和器件参数进行了修正，几乎全部章节都进行了重写，提供了反映现代技术发展水平和集成电路设计的新资料。全书共15章，第1章至第8章详细讨论MOS晶体管的相关特性和工作原理、基本反相器电路设计、组合逻辑电路及时序逻辑电路的结构与工作原理；第9章至第13章主要介绍应用于先进VLSI芯片设计的动态逻辑电路、半导体存储器、低功耗CMOS逻辑电路、算术组合模块、时钟电路与输入/输出电路；最后两章分别讨论集成电路的产品化设计和可测试性设计这两个重要主题。

译 者 序 CMOS Digital Integrated Circuits: Analysis and Design，即《CMOS 数字集成电路——分析与设计》一书是曾任韩国科学技术院(KAIST)院长的Sung-Mo(Steve)Kang 教授和瑞士联邦理工学院的Yusuf Leblebici 教授编著的一本讨论CMOS 逻辑电路的教材。该书于1995 年首版，1998年、2002 年、2013 年分别出版了第二版、第三版和第四版，在美国被多所大学选为教材。 我们受电子工业出版社的委托，对本书第三版进行了翻译，意在为我国正在蓬勃兴起的集成电路设计人才培养提供可直接使用的教材，或为采用该原版教材进行双语教学的师生提供对照阅读的中译本。经过近几年多所大学的使用，对此书反映普遍较好，为集成电路设计人才的培养发挥了一定的作用。所以，如今又对此书的第四版进行了翻译，以满足更多读者 的需求。 在第四版的翻译过程中，合肥工业大学的潘敏、于红光老师都对该书做出了贡献，王翔宇、赵亦濛、陈强云、杨茜、刘国树等也参与了部分章节的翻译工作，在此对他们表示感谢。 鉴于时间紧迫，译者水平有限，译文中难免有错误之处，敬请读者批评指正。 译 者 前 言 互补金属氧化物半导体(CMOS)数字集成电路是当今信息时代的一种领先技术。由于具有低功耗、大噪声容限以及易于设计等固有的特点，CMOS 集成电路在开发研制随机存储器(RAM)、微处理器、数字信号处理(DSP)和专用集成电路(ASIC)芯片方面得到了广泛的应用。随着在移动计算平台、可穿戴设备、智能手机和多媒体系统等芯片开发方面对于低功耗、低噪声电子系统日益增长的需求，CMOS 电路的广泛应用将持续增长。 CMOS集成电路涉及的领域非常广泛，通常分为数字CMOS电路和模拟CMOS 电路两类。本书将集中讨论CMOS数字集成电路。然而需要指出的是：随着纳米制作工艺、极低的工作电压和吉赫兹(GHz)级工作频率带来的挑战，经典的数字CMOS 电路设计与模拟CMOS 电路设计的界限已渐趋模糊。因此，作者将试图从“模拟”的角度来分析和设计数字CMOS 电路，例如用器件和电路的模拟及连续特性来实现数字化功能。 作者在20 世纪90 年代初期即计划撰写本书，当时两位主要作者正在从事本科及研究生的数字集成电路基础的教学。在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校任教期间，在高年级工程技术选修课(即ECE382——大规模集成电路设计)的教学中作者曾尝试选用已有的教材，然而教师和同学们一致反映需要一本深入讨论CMOS 逻辑电路的全新教材，因此作者通过整理多年的课堂讲义开始编撰本书。从1993 年起，作者在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、土耳其伊斯坦布尔科技大学、美国伍斯特理工学院、瑞士联邦工学院使用了这些新版的讲义。从广大同学、同行及审阅者的好评中，我们得到了极大的肯定和鼓舞。于1995 年底出版了《CMOS 数字集成电路——分析与设计》的第一版。 在第一版出版后不久，使用本书的众多师生提出了许多建设性的意见，作者迫切感到本书有待修订。作者对低功耗电路的设计、高速电路设计中的互连线问题、深亚微米电路设计等问题进行了修改和补充，并针对存储电路的新发展提供了众多更为精确有效的处理方法。在CMOS 数字电路这个发展异常迅速的领域中，一本教材只有通过不断修订，及时反映当今的技术发展水平，才能保证具有高的学术水平。基于这种认识，作者不断地对本书进行了修订，先后于1998 年、2002 年出版了第二版和第三版，以反映技术水平和电路设计实践的最新发展。 从2002 年本书第三版发行到现今的13 年里，CMOS 数字集成电路领域一直以越来越快的速度发展。纳米科技的出现以及集成大量功能模块的片上系统的广泛应用给CMOS 数字集成电路的设计方式带来了巨大且亟需应对的改变。因此我们认为仅对内容进行增加修订已经不能满足本教材下一版本的要求了，而是需要对几乎所有章节进行全面重写。我们的作者团队加入了一位重要成员，来自韩国高丽大学的Chulwoo Kim 教授。我们一起对本教材进行了大量修订。本书的第四版终于在付出艰辛努力后诞生了。 本书可作为高年级本科生和一年级研究生的教材，也可供从事集成电路设计、数字设计、VLSI 等领域的工程师参考。数字集成电路设计正在持续高速地发展，作者也竭尽全力对本书所涵盖的内容提供最新的资料。本书共分15 章，依据作者的教学经验，在一学期内教授本书所有内容略显仓促，因此推荐按照如下计划授课：在面向本科生的教学中，用一学期的时间来讲授第1 章至第10 章有关CMOS 数字集成电路的内容。如时间允许，还可以有选择地讲授第11 章“低功耗CMOS 逻辑电路”、第12 章“算术组合模块”和第13 章“时钟电路与输入/输出电路”的内容。本书也可安排为两学期讲授，可以对后面章节中的新问题进行详细的探讨。在面向研究生的教学中，本书的全部章节可安排在一个学期内讲授。 本书的第1～8 章详细讨论MOS 晶体管及其相关特性、静态和动态工作原理与分析及基本反相器电路的设计、组合逻辑电路及时序逻辑电路的结构与工作原理。第四版第1 章的内容有大量扩充，将详细介绍一些VLSI 的设计方法。由于本书的前半部分主要讨论的是与数字VLSI 及ASIC 设计相关的一些数字IC 设计方法，作者认为有必要在本书的开头加以说明。第6 章深入讨论芯片上的互连线模型及互连线上的延迟时间计算，并将完整介绍数字集成电路的开关特性。第9 章单独介绍应用于达到领先水平的VLSI 芯片上的动态逻辑电路。第10 章在内容和表达形式方面都做了全面的修改，深入地介绍许多达到当今领先水平的半导体存储电路。 由于低功耗电路设计的重要性日益增加，作者在第11 章将致力于低功耗CMOS 逻辑电路的讨论，全面覆盖了低功耗大规模数字集成电路的设计方法和实例。第12 章介绍关键算术运算模块，并重点介绍高性能多位加法器和乘法器。 第13 章将对时钟电路和芯片的I/O 设计进行详细介绍。对如ESD 保护电路、时钟分配、时钟缓冲及闩锁效应等一系列不可忽视的问题也给出了详细的讨论。最后，第14 章和第15 章分别讨论电路的可制造性设计和可测试性设计这两个重要问题。 作者曾就本书中的nMOS 电路进行了长篇幅的讨论。从教学的角度来看，对nMOS 电路进行一些介绍是有益的。为了强调广泛应用于数字电路设计的负载的概念，第5 章介绍了基本的电阻型负载和伪nMOS反相器电路以及与其对应的CMOS电路，并在第7章介绍伪nMOS逻辑门(与非/或非)。 本书提供的Cadence 设计教程和彩图可登录www.mhhe.com/kang或华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)注册下载。教辅资源包括教师手册(习题解答)，采用本书作为教材的教师可以通过向te_service@phei.com.cn发送邮件申请。

目 录 第1 章 概论 1 1.1 发展历史 1 1.2 本书的目标和结构 3 1.3 电路设计举例 6 1.4 VLSI 设计方法综述 12 1.5 VLSI 设计流程 14 1.6 设计分层 15 1.7 规范化、模块化和本地化的概念 18 1.8 VLSI 的设计风格 18 1.8.1 现场可编程门阵列(FPGA) 19 1.8.2 门阵列的设计 20 1.8.3 基于标准单元的设计 23 1.8.4 全定制设计 25 1.9 设计质量 26 1.9.1 可测试性 26 1.9.2 成品率和可制造性 27 1.9.3 可靠性 27 1.9.4 技术升级能力 28 1.10 封装技术 28 1.11 计算机辅助设计技术 30 1.11.1 综合工具 30 1.11.2 版图工具 30 1.11.3 仿真和检验工具 31 习题 31 第2 章 MOS 场效应管的制造 34 2.1 概述 34 2.2 制造工艺的基本步骤 34 2.2.1 nMOS 晶体管的制造 36 2.2.2 器件隔离技术 39 2.2.3 硅局部氧化(LOCOS) 39 2.2.4 多层互连结构和金属化 40 2.3 CMOS n 阱工艺 41 2.4 CMOS 技术的发展 45 2.5 版图设计规则 50 2.6 全定制掩模版图设计 52 习题 55 第3 章 MOS 晶体管 57 3.1 金属-氧化物-半导体(MOS)结构 57 3.2 外部偏置下的MOS 系统 60 3.3 MOS 场效应管(MOSFET)的结构和作用 62 3.3.1 阈值电压 64 3.3.2 MOSFET 工作状况的定性观察 68 3.4 MOSFET 的电流-电压特性 69 3.4.1 渐变沟道近似 69 3.4.2 沟道长度调制 73 3.4.3 衬底偏置效应 75 3.5 MOSFET 的收缩和小尺寸效应 76 3.5.1 全收缩(恒场强等比例收缩) 77 3.5.2 恒电压按比例收缩 78 3.5.3 短沟道效应的电流-电压方程 79 3.5.4 参数测量 83 3.5.5 小几何尺寸器件的阈值电压 87 3.5.6 窄沟道效应 91 3.5.7 小尺寸器件引起的其他限制 92 3.5.8 纳米级技术中的易变性 95 3.6 MOSFET 电容 99 3.6.1 氧化相关电容 100 3.6.2 结电容 102 习题 106 第4 章 用SPICE 进行MOS 管建模 109 4.1 概述 109 4.2 基本概念 109 4.3 一级模型方程 111 4.4 二级模型方程 114 4.4.1 电场迁移率的变化 115 4.4.2 饱和情况下的沟道长度变化 115 4.4.3 载流子速率饱和 116 4.4.4 亚阈值电导 116 4.4.5 其他小尺寸修正 117 4.5 三级模型方程 117 4.6 先进的MOSFET 模型 118 4.7 电容模型 118 4.8 SPICE MOSFET 模型的比较 121 附录 典型SPICE 模型参数 122 习题 127 第5 章 MOS 反相器的静态特性 128 5.1 概述 128 5.1.1 电压传输特性(VTC) 129 5.1.2 噪声抑制和噪声容限 130 5.1.3 功率和芯片面积的考虑 132 5.2 电阻负载型反相器 133 5.2.1 VOH的计算 134 5.2.2 VOL的计算 134 5.2.3 VIL的计算 135 5.2.4 VIH的计算 135 5.2.5 功耗和芯片面积 137 5.3 MOSFET 负载反相器 140 5.3.1 增强型负载nMOS 反相器 140 5.3.2 伪nMOS 反相器 140 5.3.3 VOH的计算 142 5.3.4 VOL的计算 142 5.3.5 VIL的计算 143 5.3.6 VIH的计算 143 5.3.7 伪nMOS 反相器设计 144 5.3.8 功耗和占用面积问题的考虑 145 5.4 CMOS 反相器 148 5.4.1 电路工作状态 148 5.4.2 VIL的计算 152 5.4.3 VIH的计算 153 5.4.4 Vth的计算 154 5.4.5 CMOS 反相器的设计 157 5.4.6 CMOS 反相器的电源电压按比例减小 160 5.4.7 功耗和占用面积问题的考虑 160 附录 小尺寸器件CMOS 反相器的尺寸设计趋势 161 习题 163 第6 章 MOS 反相器的开关特性和体效应 166 6.1 概述 166 6.2 延迟时间的定义 167 6.3 延迟时间的计算 168 6.4 延迟限制下的反相器设计 174 6.5 互连线电容的估算 181 6.5.1 互连线电容估算 184 6.5.2 互连线电阻的估算 190 6.6 互连线延迟的计算 190 6.6.1 RC 延迟模式 190 6.6.2 Elmore 延迟 191 6.7 CMOS 反相器的开关功耗 196 6.7.1 功率表仿真 198 6.7.2 功率-延迟积 201 6.7.3 能量-延迟积 202 附录 超级缓冲器的设计 202 习题 204 第7 章 组合MOS 逻辑电路 208 7.1 概述 208 7.2 带伪nMOS(pMOS)负载的MOS 逻辑电路 208 7.2.1 双输入“或非”逻辑门 208 7.2.2 VOH的计算 209 7.2.3 VOL的计算 209 7.2.4 多输入的一般“或非”结构 211 7.2.5 “或非”门的瞬态分析 211 7.2.6 双输入“与非”门 213 7.2.7 多输入的一般“与非”门结构 215 7.2.8 “与非”门的瞬态分析 216 7.3 CMOS 逻辑电路 217 7.3.1 CMOS NOR2(双输入“或非”门)逻辑门 217 7.3.2 CMOS NAND2(双输入“与非”门)逻辑门 221 7.3.3 简单CMOS 逻辑门的版图 221 7.4 复杂逻辑电路 222 7.4.1 复杂CMOS 逻辑门 224 7.4.2 复杂CMOS 逻辑门的版图 225 7.4.3 “与或非”和“或与非”逻辑门 227 7.4.4 伪nMOS 复杂逻辑门 228 7.4.5 采用纳米级技术的CMOS 逻辑电路的尺寸设计 230 7.5 CMOS 传输门 232 习题 239 第8 章 时序MOS 逻辑电路 244 8.1 概述 244 8.2 双稳态元件的特性 244 8.3 SR 锁存电路 248 8.4 钟控锁存器和触发器电路 252 8.4.1 钟控SR 锁存器 252 8.4.2 钟控JK 锁存器 254 8.4.3 主从触发器 255 8.5 钟控存储器的时间相关参数 257 8.6 CMOS 的D 锁存器和边沿触发器 258 8.7 基于脉冲锁存器的钟控存储器 262 8.8 基于读出放大器的触发器 263 8.9 时钟存储器件中的逻辑嵌入 264 8.10 时钟系统的能耗及其节能措施 265 附录 266 习题 269 第9 章 动态逻辑电路 272 9.1 概述 272 9.2 传输晶体管电路的基本原理 273 9.2.1 逻辑“1”切换 274 9.2.2 逻辑“0”切换 276 9.2.3 电荷的储存与泄放 278 9.3 电压自举技术 281 9.4 同步动态电路技术 283 9.5 动态CMOS 电路技术 287 9.5.1 CMOS 传输门逻辑 287 9.5.2 动态CMOS 逻辑(预充电-定值逻辑) 289 9.6 高性能动态逻辑CMOS 电路 290 9.6.1 多米诺CMOS 逻辑 290 9.6.2 NORA CMOS 逻辑(NP-多米诺逻辑) 297 9.6.3 拉链式CMOS 电路 299 9.6.4 真单相时钟(TSPC)动态CMOS 299 习题 302 第10 章 半导体存储器 305 10.1 概述 305 10.2 动态随机存储器(DRAM) 309 10.2.1 DRAM 的结构 309 10.2.2 DRAM 单元的历史演变过程 310 10.2.3 DRAM 单元类型 311 10.2.4 三晶体管DRAM 单元的工作原理 312 10.2.5 单晶体管DRAM 单元的工作过程 315 10.2.6 DRAM 操作模式 319 10.2.7 DRAM 存储单元的漏电流和刷新操作 321 10.2.8 DRAM 输入／输出电路 322 10.2.9 DRAM 片上电压发生器 326 10.3 静态随机存储器(SRAM) 329 10.3.1 完全CMOS SRAM 单元 331 10.3.2 CMOS SRAM 单元的设计方法 332 10.3.3 SRAM 的运用 334 10.3.4 SRAM 单元中的漏电流 337 10.3.5 SRAM 读／写电路 338 10.3.6 低压SRAM 339 10.4 非易失存储器 340 10.5 闪存 349 10.5.1 NOR 闪存单元 351 10.5.2 NAND 闪存单元 352 10.5.3 多电平单元的概念 354 10.5.4 闪存电路 354 10.6 铁电随机存储器(FRAM) 355 习题 357 第11 章 低功耗CMOS 逻辑电路 362 11.1 概述 362 11.2 功耗综述 362 11.2.1 开关功耗 363 11.2.2 减少开关功耗的方法 365 11.2.3 短路功耗 365 11.2.4 泄漏功耗 368 11.2.5 实际功耗举例 370 11.3 电压按比例降低的低功耗设计 371 11.3.1 电压按比例降低对功率和延迟的影响 371 11.3.2 可变阈值CMOS(VTCMOS)电路 373 11.3.3 多阈值CMOS(MTCMOS)电路 374 11.3.4 流水线操作方法 375 11.3.5 并行处理方法(硬件复制) 377 11.4 开关激活率的估算和优化 379 11.4.1 开关激活率原理 379 11.4.2 减小开关激活率 381 11.4.3 减少短脉冲干扰 381 11.4.4 门控时钟信号 382 11.5 减小开关电容 383 11.5.1 系统级设计方法 383 11.5.2 电路级设计方法 384 11.5.3 掩模级设计方法 384 11.6 绝热逻辑电路 385 11.6.1 绝热开关 385 11.6.2 绝热逻辑门 386 11.6.3 分步充电电路 387 习题 389 第12 章 算术组合模块 390 12.1 概述 390 12.2 加法器 390 12.2.1 CMOS 全加器电路 390 12.2.2 并行加法器 392 12.2.3 进位选择加法器 392 12.2.4 超前进位加法器 394 12.2.5 并行前缀加法器 395 12.2.6 加法器设计中的折中 397 12.3 乘法器 398 12.3.1 阵列乘法器 398 12.3.2 华莱士(Wallace)树乘法器 399 12.3.3 布思(Booth)乘法器 400 12.3.4 并行乘法器的整体设计 401 12.4 移位器 401 习题 402 第13 章 时钟电路与输入/输出电路 406 13.1 概述 406 13.2 静电放电(ESD)保护 406 13.3 输入电路 408 13.4 输出电路和L(di/dt)噪声 412 13.5 片内时钟生成和分配 415 13.5.1 简单的时钟生成器 415 13.5.2 锁相环 415 13.6 闩锁现象及其预防措施 424 附录 片上网络：下一代片上系统(SoC)的新模式 428 习题 431 第14 章 产品化设计 433 14.1 概述 433 14.2 工艺变化 433 14.3 基本概念和定义 434 14.3.1 电路参数 434 14.3.2 含噪声参数的分布 435 14.3.3 电路性能指标 436 14.3.4 参数成品率和性能可变性 438 14.4 实验设计与性能建模 439 14.4.1 因子设计 440 14.4.2 中心组合设计 441 14.4.3 Taguchi 正交阵列 441 14.4.4 拉丁超立方抽样 442 14.4.5 模型拟合 443 14.5 参数成品率的评估 443 14.5.1 直接蒙特卡罗方法 445 14.5.2 性能模型方法 445 14.5.2 一个参数成品率评估的简单范例 446 14.6 参数成品率的最大值 447 14.6.1 基于蒙特卡罗的方法 447 14.6.2 几何方法 447 14.6.3 一个简单的成品率最大化方法 447 14.6.4 参数成品率最大化的一个简单例子 448 14.7 最坏情况分析 448 14.7.1 转角技术 449 14.7.2 一种更实际的最坏情况分析法 450 14.7.3 一个最坏情况分析的简单例子 451 14.8 性能参数变化的最小化 452 习题 454 第15 章 可测试性设计 457 15.1 概述 457 15.2 故障类型和模型 457 15.3 可控性和可观察性 460 15.4 专用可测试性设计技术 460 15.5 基于扫描的技术 462 15.6 内建自测(BIST)技术 464 15.7 电流监控IDDQ 检测 466 习题 467 参考文献 468 物理和材料常数 473 公式 474