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集成电路的结构和组成

2016年05月31日 11:14 头条号 作者:佚名 用户评论(0

  先来讲一讲,为啥大家都说芯片里有成万上亿个晶体管?晶体管是什么东东?感兴趣的可以看看这一部分。

  一、纸上谈IC

  一般的,我们用由上而下的层级来认识集成电路,这样便于理解,也更有条理些。

  (1)系统级

  以手机为例,整个手机是一个复杂的电路系统,它可以打电话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哔--。它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成,称为系统级。(当然,随着技术的发展,将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术)

  (2)模块级

  在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源,有的负责通信,有的负责显示,有的负责发声,有的负责统领全局的计算,等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域,都聚集着无数人类智慧的结晶,也养活了很多公司

  (3)寄存器传输级(RTL)

  那么每个模块都是由什么组成的呢?以占整个系统较大比例的数字电路模块(它专门负责进行逻辑运算,处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。

  所谓寄存器就是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构,它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

  现实中,我们需要时钟来衡量时间长短,电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度,电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作,履行义务。

  

  组合逻辑呢,就是由很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡,各带一个开关,只有两个开关都打开,灯才会亮,这叫做与逻辑。

  一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。

  

  图中的三角形加一个圆圈是一个非门,旁边的器件是一个寄存器,D是输入,Q是输出,clk端输入时钟信号。

  (4)门级

  寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的,把它再细分为与、或、非逻辑,便到达了门级(它们就像一扇扇门一样,阻挡/允许电信号的进出,因而得名)。

  (5)晶体管级

  无论是数字电路还是模拟电路,到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观,达到最底层,满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

  早期的时候双极性晶体管(BJT)用的比较多,俗称三极管。它连上电阻、电源、电容,本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样,可以用它构成各种各样的电路,比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-Transistor Logic)电路。BJT的电路符号长这个样子:

  

  

  后来金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现,以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外,基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的,由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下:

  

  如上所述,在实际工业生产中,芯片的制造,实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

  现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了,从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

  基本上,按照“晶体管-》芯片-》电路板” 的顺序,我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

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( 发表人:方泓翔 )

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