什麽是集成電路？
來源： /~lebok/gb/learn.htm
集成電路是什麽？就是電路板上的那些小黑塊，有很多引腳，它的裏面並不復雜，無非就是壹些三極管組合在壹起，僅此而已。
top
--------------------------------------------------------------------------------
三極管的基本原理
首先我們要了解三極管的基本原理，三極管就是壹條電流的通道，有壹個電極控制這個通道的通和斷，如果說三極管的基本原理用這樣的比喻比較牽強附會的話，在設計三極管的版圖時，它就非常的確切了，我們先畫壹條綠色的線條表示通道，再畫壹條橫跨過通道的紅色線條表示控制柵極，就象馬路上的綠色的通道和警察掌握的紅燈壹樣，綠色通道裏的電流的通斷，得看警察的臉色行事。不過在集成電路裏通道不叫通道，而叫有源區，壹個奇怪的名字，不過很好記，我們平時把半導體器件叫做有源器件，電阻電容叫無源器件，三極管是有源器件，因此只要記住和三極管有關的區域叫有源區就可以了。
由 N型或 P型半導體材料組成源極和漏極，在源極和漏極之間放壹層多晶矽作為柵極，這就形成了壹個 MOS三極管，多做幾個這樣的三極管，並把它們按要求連接起來，這就形成了集成電路。把許多三極管做在壹起就是集成電路。
集成電路真的就是這麽簡單，請暫時不要問什麽半導體為什麽會導電之類目前被認為是無關緊要的問題，我們在這裏探討的是如何快速的學會設計集成電路，而不是半導體理論。
top
--------------------------------------------------------------------------------
設計壹個反相器管
我們知道三極管相當於壹條通道，在這條通道上電流出發的那壹端叫做源極，而電流到達的那壹端叫做漏極，控制電流通斷的那個電極叫做柵極，那麽柵極需要帶上什麽樣的電壓才表示通道導通呢？壹般情況下，柵極對源極的電壓為0V時，表示關斷，柵極上帶 0.7V以上的電壓時，表示導通，應該註意柵極電壓是對源極而言的。
上述的 MOS三極管我們叫它 N型 MOS管，對應的，還有壹種 P型 MOS 管， P型 MOS管的特性正好完全相反，電流從漏極出發到達源極，柵極帶上比漏極低於0.7V以下的電壓時， MOS管導通。
如果規定只能用壹種類型的 MOS管，我們也能設計出集成電路來，想當初的半導體工藝只適合於做 N型壹種類型的 MOS管，那時侯的集成電路大部分是NMOS集成電路，我們熟悉的早期的 Z80、8048等，都是用 NMOS工藝制造的。後來，發展了在同壹個芯片上做兩種不同類型 MOS管的工藝，叫做CMOS工藝，現在已是半導體行業的主流工藝。
N 管和 P管的版圖設計並沒有什麽不壹樣，只要對其類型做壹個標記就可以了，這個標記用來通知制造集成電路的人把這些管子做成某壹類型的管子，在下圖中我們把 P管用虛框圈起來作為標記。
top
--------------------------------------------------------------------------------
設計壹個簡單集成電路
設計集成電路也很簡單，不過就是把那些三極管連接起來，用什麽來連接呢？總不至於用電烙鐵和焊錫絲之類的方法吧？在集成電路裏不用這種方法，用的是類似於雙面線路板的方法，雙面線路板上的過孔將線路板的兩面連接了起來，在集成電路了也用了過孔，兩層導電材料分別是鋁和多晶矽，鋁可以越過各種區域通到任何地方而不受限制，但多晶矽可不可以呢？好象可以，可是，的多晶矽越過有源區時，有源區變成了壹個受多晶矽控制的電流通路：壹個多余的三極管，這不是我們所希望的，所以，我們在這裏增加壹條規則：多晶矽不能跨越有源區。按這樣的規則連接兩各三極管，我們就設計了壹個含有壹個反相器的簡單的集成電路。
在芯片的四周有四個焊接點，用來和外部電路進行連接，不過，在這裏不叫焊接點，而叫壓焊點，可能因工藝而得名。如果妳到集成電路行業裏把它叫成焊接點的話，會讓別人目瞪口呆的。
我們不妨大膽的把集成電路設計技術和制造工藝用印刷來理解，當我們要印名片時，我們要先設計版面的排列，為壹個商標圖案苦思冥想，用彩色筆在草稿紙是畫來畫去，甚至出錢請搞美工的人來為這張名片進行設計。
設計的名片可能包含了好幾種顏色，好多種字體，當設計方案送到引名片的小店後，將根據顏色的種類先做出版子來，然後就是用這些版子把各種顏色印到紙上，再然後就是把壹大張紙剪切成壹張壹張的小名片，最後把這些名片裝到小盒裏，就等著用戶來取貨了。
印名片的小店老板只要會玩那些制版機、速印機之類的玩藝就可以了，基本上不用識多少字，小學程度即可，要求他必須懂得美術原理才發給操作證可以上崗，屬於壹種無理取鬧的行為。
對設計名片的美工師傅的最大的要求是能夠理解客戶的要求，並且能夠用版面的排列、字體的選擇、顏色的搭配來表達客戶的意圖，我們完全沒有必要要求美工師傅會做各種字體的鉛字、讀過大部頭的《照相原理》、精通印刷機械。
相應地，我們對客戶就應該只有壹個要求：簡單、明確的提出他的意圖。
集成電路的情況也是這樣，用戶提出他的芯片具有的功能，設計的過程是將功能翻譯成版圖，制造的過程是用版圖印刷出芯片。
印刷和芯片的驚人的類似之處是，美工師傅只要使用字庫裏的各種字體就可以了，沒有必要自己親自作出壹個個的字體來；芯片設計師實際上也只要使用單元庫裏的單元就可以了。
印刷和芯片的另壹個更驚人的類似之處是，當字庫裏沒有某個特定的符號時，比如壹個不常見的商標，美工師傅就要親自做出這個符號來；芯片設計師有時也會遇到庫裏沒有的單元，他也需要親自畫出這個單元的版圖來。
top
--------------------------------------------------------------------------------
設計壹個振蕩器芯片的版圖
如果妳覺得不過癮，妳可以設計壹個更復雜壹點的集成電路如下圖，它是個振蕩器的版圖，妳給它接上壹個電阻、壹個電容、壹個發光二極管，再接上電源，妳就可以看到發光二極管壹閃壹閃的發起光來。
集成電路版圖設計差不多就這點事了，沒有什麽花樣。
妳可能發現最右邊的反相器比較大壹點，這是為了有較大的驅動能力以使發光二極管有較高的亮度。另壹個應該註意的問題是盡量讓比較大的電流在鋁導電層裏流動，鋁的導電性能比多晶矽好很多，這壹點和雙面線路板有點不同，雙面線路板兩面的導電性能壹樣好。
top
--------------------------------------------------------------------------------
版圖設計
現在，妳了解了壹點版圖設計了，如果妳再了解得更多壹點的話，妳就會發現妳滿懷熱情的希望學會的版圖設計，其實只是壹種大人玩的七巧板而已，只是沒有小孩玩的七巧板好玩，也沒有那麽復雜和變化多端。
現在，人各有誌，妳想把這塊七巧板玩出點花樣來的話，可以，在這裏有大把朋友願意陪妳壹起玩；或者妳想起了妳到這裏來的初衷，想要把妳的那個電路做成集成電路，那妳暫時就別玩七巧板了，想辦法盡快的完成妳的芯片設計吧。
假如妳原來用分立元件設計的電路裏用到了許多標準的集成電路，有反相器，與非門、D觸發器，計數器、甚至包含了壹個液晶顯示驅動模塊等等，按理說妳要設計這些單元的版圖，這可不是件輕松的活，日復壹日，月復壹月，非把妳畫得癡癡傻傻，呆若木雞不可，妳原來設計壹個高性能電路的滿腔熱情在這裏沒有用處，妳火花般迸發的電路設計靈感對版圖設計也壹樣沒有幫助，畫版圖要的是拼七巧板的技巧。
當妳累死累活的幹了三個月之後，才發現已經開始種第二季稻的農民伯伯也沒有這麽辛苦。由此推算，做壹個版圖庫的工作量約等於種兩季稻的工作量。做壹個芯片設計師不如種田實在。
不過即使讓妳幹畫版圖的活妳也不用害怕，電腦上高科技的最奇妙的特點在於它的勞動竟然可以重復使用，第壹次做單元圖庫要用兩個月的時間，到了第二次做圖庫時，妳可以把第壹次圖庫拷貝過來，修修改改，有兩個星期的時間也就可以了，這就是電腦裏 COPY 的絕妙之處。真奇怪為什麽不把這種電腦科技推廣到農業科技上去，要是農民伯伯也采用這些技術的話，他只要專心種好壹畝田就可以了，然後跨嗒跨嗒地拷貝它個十萬八千畝，於是站在壹望無際金黃色田頭，看著晨曦下巍巍壯觀的麥浪翻滾，就很難控制住“身在田頭，胸懷世界”的感覺了。
幸好農民伯伯還沒有還沒有掌握這門技術，不然實在要叫我們這些搞芯片設計的家夥無地自容了，但我們還十應該抓緊時間，在目前芯片比種田暫時領先的優勢下，做出比農民伯伯更多的貢獻來。
但現在情況不壹樣了，在這裏，有現成的單元版圖供妳使用，這些單元版圖放在壹個庫裏，裏面品種繁多，差不多包含的妳可能用到的全部品種，不要以為這是什麽“演示版”，這是很多芯片設計師正在使用的工作庫，妳現在要幹的活已經不是什麽版圖設計，而是要幹壹些類似於妳以前經常幹的活：給雙面線路板布線。
有了單元圖庫，妳就可以進行正常的設計工作，妳用以前常用的方法畫線路圖，然後用相應的元件把它們連接起來，以前壹個沒有經驗的電路設計師往往會按過時的教科書設計電路，結果采購員往往抱怨采購不到元件，甚至要到 Intel的公司歷史陳列室才能看到樣品。現在的電路設計師壹般都比較關心原器件的供應情況，這條經驗在這裏同樣適用，妳應該在設計之前先熟悉單元圖庫的情況，以免畫出了線路圖卻沒有單元可供使用。
芯片設計用到的單元圖庫中的內容和市面上 CMOS 4000系列或 TTL 74 系列的內容畢竟還是有壹點差異的，比如常用的JK觸發器，在單元圖庫就找不到，（或許以後會有熱心人補上這個單元），因為在ASIC設計中，沒有必要使用 JK觸發器，使用它後會在分析電路時造成混亂。妳可以很快的適應這些差異，甚至在妳通讀了壹遍單元圖庫的介紹之後就有胸有成竹的感覺了。
我再次提醒妳：妳到這裏來，是為了設計出集成電路來，而不是研究版圖設計技術，如果妳是初學者，妳設計的版圖大概不會比庫裏面已有的版圖更好吧？所以暫時了解壹點版圖設計就可以了，不要深究，采用現成的單元圖庫加雙面布線技術，盡快的完成妳的集成電路吧。如果妳遇到的圖庫裏面沒有的單元，也不要慌張，請到這裏來，問壹聲，說不定會有那位老手會幫妳畫壹個的，不過，應該是壹些比較通用的單元，妳別問什麽16位A／D轉換器、照相機的控制電路這樣的單元，要是這樣的話，還不如妳睡大覺，讓別人免費給妳設計算了。
說實在的，偉大而又神秘的集成電路版圖設計，並不比小孩玩的七巧板復雜多少，下面的觸發器的版圖，差不多是版圖庫中最復雜的壹個版圖，但也就這麽樣了，沒什麽大不了的，我不認為妳掌握不了它，我只是認為妳暫時沒有必要掌握它。
別以為這是個示範的版圖，這可是個真正的正在使用的版圖，我把它叫做DF06A ，有位設計高手為了做好類似的版圖花了大概壹個月的時間。我是在他的基礎上畫這個版圖的，所以只花了大約半個月的時間，還有壹些延時參數等沒有計算。做好了這個版圖，差不多就完成了整個標準單元庫（100 多個單元）的三分之壹的工作量了，因為這是庫中最困難的壹個版圖。
top
--------------------------------------------------------------------------------
電路設計
最奇妙、最神奇的還是妳原來做慣的電路設計，可以玩出很多花樣，我以前曾工作過的單位，有壹臺火車頭那麽大的塑料機，突然有壹天趴下了，這臺機器壹天做出產品的產值50多萬，利潤好幾萬，這可把老板給急得熊似的團團亂轉，動員了全部機械和塑料的精英，香港的技師也於第二天趕到，可是，會診的結果是無可奈何。第三天，冒出個懂點電子的家夥，他從壹個破收音機裏拆了壹個電阻，裝到機器上壹試，那龐大的塑料機居然就此起死回生，當在場的人了解到這個神奇的元件的價值只有人民幣兩分錢時，全體同時作目瞪口呆狀。
到這裏來的都是電路設計的行家，我想也用不著解釋壹個電阻是如何修好塑料機的，太簡單太平常的事了，但電路設計的最大的趣味就在於此：壹個極其簡單的小技巧，會引發起社會上的壹番大事出來。妳應該在電路設計上淋漓盡致的發揮妳的聰明才智，而不要拘泥於是不是采用了公***單元圖庫。
當然集成電路設計和妳以前的設計是有點不同，這裏說其中的壹個特點：有大量的三極管供妳使用，而電阻電容卻很麻煩。
或者這樣吧：妳就當是壹場考試，考試的題目是設計壹個電路，不許使用電阻電容，但可以無限量的使用三極管，可能妳壹開始不習慣，覺得浪費了很多三極管，可是只要多做幾次，妳就會適應這種浪費的設計法的，不要為妳的浪費而內疚，其實即使是芯片設計專家，也是這麽做的。
電路設計也就是畫出妳所需要的電路圖來，然後推理妳的電路圖，看看是不是正確，需不需要改進。在這裏，我建議妳采用 workview 軟件和這裏提供的電路圖庫進行設計，采用 workview 的話它會幫妳做推理，在這裏叫仿真，它會把電路工作時的波形顯示給妳看，非常直觀。這裏不但提供版圖庫給妳使用，還提供相關聯的電路圖庫，采用這裏的電路圖庫可以簡化妳的設計工作，庫中有很多實用的單元電路，比如十進制計數器，甚至動態的液晶顯示器驅動電路等，妳只要拿來用就可以了，如果妳自行設計壹個動態的液晶顯示器驅動電路，不是說妳不會，而是沒有必要幹這些重復煩瑣的勞動，妳應該集中精力完成妳的整體設計，那才是妳的特長。妳可以把妳在設計中找到的壹些訣竅和技巧公開出來，作為自由資源添加到圖庫中去，讓以後的設計者也能享受妳的勞動果實。
這世界上有兩種資源，壹種實資源，就象石油，越用越少；另壹種是虛資源，就象腦力，奇怪的是這種虛資源竟然是壹種越用越多的資源，世界真奇妙，無奇不有，如果我們發動全民來開發虛資源，那麽用不了多久，我們就會成為壹個資源大國，我們就能象拍蒼蠅那樣容易的消滅美帝國主義和壹切反動派。說笑而已，其實我不想讓我的世界觀帶有民族主義的色彩，任何民族的文化我都有興趣。什麽“國富民強”，對我的感覺就象山溝溝裏的農民希望多養幾個兒子可以不受鄰居的欺負那樣，是壹種跟愚昧無知很有瓜葛的意識。我們開發虛資源，是為了迎接未知的人類的明天的到來。我們不知道明天會怎樣，但知道明天不會象今天預想的那樣。
搞電路設計在我看來實在有投機取巧的嫌疑，我無意貶低各位同行，但在我見到的許多事例中，壹個會修修半導體的電子愛好者往往比機械本科生還吃香，壹個家用電器項目的開發人員組成中，有電子的、有機械的、如果妳參加過幾個這樣的開發組，妳就會理解如下的結論：搞電子的工作量小，老在壹些局部問題上翻花樣，不顧全大局，經常返工惹麻煩，但容易得到老板的好感；搞機械的工作量大，要全面綜合的的考慮整機的協調問題，可悲的是總是不討好。在老板的眼光裏，好象搞機械的沒什麽大不了，不就是拿個鉛筆那麽畫兩下而已，而搞電子的就不壹樣了，那東西神秘，兩分錢就可以讓火車頭那麽大的機器動起來。
如果妳有學機械的朋友，妳就會了解機械不是誰都可以畫那麽簡單的，單看機械的那些課程，就能了解機械知識遠比電子知識復雜、嚴謹得多，在壹個家用電器比如冰箱或是洗衣機裏，機械占了大部分工作，而電子只不過是在機械的基礎上玩的壹些花樣而已，什麽定時、警報之類，全是花樣。機械設計牽涉了嚴謹廣泛的知識，而電子的知識，說不定從什麽《電子小制作 200例》之類的雜書上就可以得到。
不少老板的重電子輕機械的觀念其實是不對的，或許妳可以拿壹支鉛筆畫出零件的圖紙來，可是妳能算出這個零件能承受多大的壓力嗎？妳知道妳畫的零件在什麽樣的情況下會發生諧振嗎？發生諧振後又會對整機造成多大的傷害嗎？如果妳想了解這些情況，妳就非得花幾年時間啃幾本《機械原理》、《材料力學》、《····》等不可。而神秘的電子技術，到是在街上買幾本雜書就可以學會的，不要以為開玩笑，其實我們這些搞電子的家夥最知道電子的底細。
妳有沒有聽說過業余機械愛好者？或者是業余材料力學愛好者？應該說有，但很少，以至於要舉個例子都困難。
在我們的周圍有大把的業余無線電愛好者，業余電子愛好者，這是為什麽呢？這說明電子電路的幾個特點：很容易入門，另壹個更大的特點是妳只要學會壹點點，妳就可以發揮妳的聰明才智，進行卓有成效的電路設計。
由此展開來，我們不禁要問：有沒有業余集成電路設計愛好者？
我留意了多時，想知道究竟有沒有業余集成電路設計愛好者，可是到目前還沒有找到，這使我很納悶，心中不免嘀咕：難道我是中國業余集成電路設計愛好者第壹人？
做壹個業余的集成電路設計愛好者在以前可能是天方夜談，讓人聽了的感覺就象聽到有業余洲際導彈愛好者壹樣。但是時代不同了，造就業余集成電路設計師的外部條件已經具備了，只是這些條件來得太快了，以至於我們來不及反應過來。我們聽說的集成電路，好象都是要上千萬美圓的投資，可是，當我們今天早上從夢中醒來時，花上幾千元人民幣就可以讓芯片工廠把我們自己設計的集成電路給做出來了。
top
--------------------------------------------------------------------------------
芯片設計
完成了電路設計後，就可以開始考慮整個的芯片設計了。如果妳的芯片不大，妳可以用雙面線路板布線的方法設計妳的芯片，用壹些專用的軟件如 LEDIT等進行設計，先把用到的單元放到版面上，然後用鋁和多晶矽進行布線。如果妳的芯片略微大壹點，這將是壹項艱苦的工作，
如果芯片更大壹點，我們可以用電腦來進行自動布線，實際上我們主要考慮的實現布局布線的手段應該是自動布線，
有很多的軟件可以進行優良的自動布線，如cadence,mento graph, 然而軟件價格不菲，動輒20萬美圓的大有人在。
價格低壹點而性能還不錯的軟件也不少，
甚至連免費的軟件也有，在這裏自由軟件庫裏，有壹套 Alliance，它的布線性能就很不錯，其實用它來布線真有點大材小用，它是壹套具有更強大功能的集成電路設計工具，我們暫且就事論事，討論它的布線工具，它的布線器很不錯，有很好的優化能力，它使用的庫的描述方法有點不同，但和其他軟件的描述方法也大同小異，我們可以編壹段小程序進行轉換。和其他軟件相比有很大的不同的是它接收的線路圖的描述格式，竟然用的是C語言源程序的格式，幸好是源程序格式，這就給編寫轉換程序的編寫提供了壹定的方便， workview中有壹個專用的數據庫操作程序viewdate，應該可以完成這項工作。
我們可以設想遠程布線，以前宮敏先生舉過壹個例子，說的是新疆的芯片設計師可以通過連網來運行安裝在上海主機上的珍貴的設計軟件，就是這個意思。
在進壹步，甚至可以為系統編寫壹些自動的功能，它自動的接收用戶用email形式發來的線路板文件，交給布線軟件布完線後再通過email 把結果發回給用戶，這樣就可以充分發揮高檔軟件的效率，而又不侵犯版權。有這些高檔軟件又有 email服務器的單位可以提供這項免費或收費的服務。
top
--------------------------------------------------------------------------------
設計檢查
集成電路的設計好象並不復雜，而對設計好的版圖進行壹次檢查，就不是那麽容易的了，我敢打賭，壹個1萬管子的版圖，妳花10年的時間也檢查不完。但這世界真奇妙，越是困難的事情，反而變得容易了。現在有很多軟件可以幫妳檢查，妳只要學會利用這些軟件就可以了。我的意思是，勸妳不要嘗試用人工的方法來檢查壹個略微大壹點的版圖，人的腦子是用來創造的，用它來做壹些重復煩瑣的工作，不但效率低下，更麻煩的是會惹出許多意想不到的錯誤來。
真正實用的版圖檢查軟件還是比較少的，Dracula 是其中的佼佼者，在沒有找到廉價實用的檢查軟件之前，我們可以考慮通過 email的委托檢查，讓有Dracula軟件的單位幫助做檢查工作。如果文件的格式規範，或許我可以說服壹些單位用他們機器的空閑時間來為妳服務。
top
--------------------------------------------------------------------------------
外部支持
最有效，最傳統的支持來自於書籍。妳應該收集這方面的書籍。
新聞組、郵件列表、以及 email都可以廉價快速地從外界向妳提供技術支持，這也是internet的好處之壹。通過網絡得到的支持在大部分時間是非常有效的，但它不是肯定和明確的，因為沒有任何人承擔必須幫助妳的義務，他們熱心的幫助妳的最起碼的條件是必須有空才行。
妳要學會利用外界對妳的支持，這些支持不是出於義務，而是出於熱心，妳不要濫用這些熱情，在提出問題前，請多花壹點精力研究壹下妳的問題，然後確切的提出妳的問題。當以後有其他人問到類似的問題時，妳也應該熱心的出來回答，介紹妳解決問題的經驗。
獲得肯定和明確的幫助的方法是，妳可以在妳的附近找壹家集成電路設計公司，以壹定的代價獲得這些幫助。我在最初學習設計集成電路時，采用的方法是將項目委托給設計公司做，並要求他們把設計過程告訴我，好讓我有壹個模仿的對象。
top
--------------------------------------------------------------------------------
ASIC和 PGP郵件列表介紹
郵遞列表是壹種類似於新聞組的交流方式，由壹群誌同道合者組成，它比新聞組更便宜、更有針對性。參加了壹個郵遞列表後，妳就可以經常收到別人寄給這個郵遞列表的各種信息，妳可以對各種問題發表妳的看法，也可以提出新的建議、新的觀念、或是提出妳遇到的困難，以得到別人的幫助。最難能可貴的是所有的操作都可以在免費的email帳戶上通過email 進行。
發出訂閱申請信後很快您就會收到壹封確認信，直接回復此信，您就加入了郵件列表，以後，您就可以向這兩個郵遞列表投遞稿件、參與討論、尋求幫助、或是發表您想發表的任何高見，僅要求盡量圍繞主題，以照顧其他成員的興趣所在。
通過下面的表格妳可以投遞、加入或是退出郵遞列表。請註意使用同壹個email 帳號進行操作，在操作過程中如果遇到麻煩，請給我寫信，讓我從服務器上幫您完成。查看已經存檔的文件需要上Internet網才能進行。
參考資料：
/2448350.html