CHIP DESIGN · COURSE

CMOS 与 VLSI 基础

把数字逻辑连接到其电气与物理实现,同时绝不假装手算模型就是制造芯片。先学习 MOS 端子、开关抽象、工作区、体端与漏电边界;推导互补反相器、电压传输曲线、切换点、增益、逻辑电平与噪声容限;再通过下拉/上拉对偶构造 NAND、NOR 与复杂静态 CMOS。建立电容、一阶 RC 延迟、逻辑努力、αCV²f 开关功耗、短路与漏电模型。随后学习传输门存储、建立/保持/时钟到 Q、亚稳态、互连 RC 与串扰、PVT 与局部变异、电源和可靠性边界、6T SRAM、版图、DRC、LVS 与寄生提取。综合项目从布尔契约到双语、可独立重建的物理证据,审计一个标准单元路径。

本课程之前: 已完成数字逻辑与布尔推理。课程假设掌握二进制电压电平、布尔代数、组合与时序电路、真值表、时钟、状态与初等代数。电压、电流、电阻、电容、指数、MOS 术语、时序阈值与版图概念都在本地引入。开篇不假设半导体器件课程、SPICE 安装、专有 PDK、版图工具、晶圆厂访问或制造芯片;可选工具适配器必须标识模型,绝不能编造结果。

COURSE FACTSStage, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

MOS 器件先由四个端子定义,再抽象为开关

目标: 为什么必须说明体端? 作答时说明主导电流或电荷路径、模型与工艺角、观测阈值、一个故障边界及下一证据层。

栅、源、漏、体端电压控制沟道形成;在对称理想模型中源漏标签取决于上下文,而体结与真实版图会打破朴素对称。 CMOS 设计连接器件行为、晶体管网络、电气负载、时序、能量、版图与变异。我们从声明的抽象层开始,绝不把逻辑符号当成晶体管实现的证明。输入、输出、电源、体端连接、开关条件、负载、活动率、工艺假设、电压、温度与证据来源始终可见。这样初学者既能使用手算模型推理,也能准确理解原理图仿真、提取后仿真、静态时序报告或芯片实测分别增加了什么证据。

本知识点的局部契约是“NMOS 手算模型在 VGS 超过声明阈值时导通,强传低而高电平退化;PMOS 在 VSG 超过阈值绝对值时导通,强传高。”其不变量是“有效开关级结论必须指出四端子、电源参考、体端连接、控制电压与预期强逻辑电平。”引用经验规则前,先从电荷路径与状态所有权推导结果。只要相关,就说明观测节点、转换方向、初始条件、输入转换时间、等效电阻、电容与工艺角。边界“仅凭栅电压称晶体管“导通”会忽略源端与体端电位,并可能预测不可能的满摆幅输出。”与成功案例并列保留,因为标称计算不能建立全部输入向量、全部转换、每种版图或制造芯片行为。

有效开关级结论必须指出四端子、电源参考、体端连接、控制电压与预期强逻辑电平。 该不变量只在声明的拓扑、器件模型、激励、负载、电源、温度与证据层下成立;它不会自动成为关于另一单元、工艺角、版图、工艺、封装或制造裸片的结论。

把每个端子电压参考同一地,并为当前情形识别较低电位 NMOS 源端或较高电位 PMOS 源端。 在推导第 1 步,标出导通与截止器件、电流或电荷路径、正在变化的节点、所用近似及其单位,并直接对照原始规格检查。

把 VGS 或 VSG 与声明阈值比较以分类开关。 在推导第 2 步,标出导通与截止器件、电流或电荷路径、正在变化的节点、所用近似及其单位,并直接对照原始规格检查。

追踪导通路径给输出充电还是放电,并在过驱动消失或达到电源轨时停止。 在推导第 3 步,标出导通与截止器件、电流或电荷路径、正在变化的节点、所用近似及其单位,并直接对照原始规格检查。

用栅接 VDD 的单个 NMOS 传输上升输入到空电容。 揭示解答前,先预测极性、最终逻辑电平、电荷路径、相对延迟或能量以及证据层。

  1. 初始 VGS≈VDD,因此沟道导通并给电容充电。 在追踪第 1 步,写出输入/状态、活动网络、受影响节点、带单位的符号关系,以及一个合理性或边界检查。
  2. 输出升高时,因输出侧源端电位升高,VGS 下降。 在追踪第 2 步,写出输入/状态、活动网络、受影响节点、带单位的符号关系,以及一个合理性或边界检查。
  3. 简单模型中在 VOUT≈VDD−VT 附近充电减弱,因此不是恢复的强高电平。 在追踪第 3 步,写出输入/状态、活动网络、受影响节点、带单位的符号关系,以及一个合理性或边界检查。

结果: 开关模型预测阈值退化高电平,而非真实器件的精确电压。 只在所述抽象与条件下接受该结果。更强结论需要相应的晶体管模型、寄生参数、工艺角集合、工具报告、校准或物理测量。