集成电路工程研究方向大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇集成电路工程研究方向范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

微电子技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技进步和综合国力的重要标志之一。因此，学习微电子，认识微电子，使用微电子，发展微电子，是信息社会发展过程中，当代大学生所渴求的一个重要课程。生活在当代的人们，没有不使用微电子技术产品的，如人们每天随身携带的手机；工作中使用的笔记本电脑，乘坐公交、地铁的IC卡，孩子玩的智能电子玩具，在电视上欣赏从卫星上发来的电视节目等等，这些产品与设备中都有基本的微电子电路。微电子的本领很大，但你要看到它如何工作却相当难，例如有一个像我们头脑中起记忆作用的小硅片—它的名字叫存储器，是电脑的记忆部分，上面有许许多多小单元，它与神经细胞类似，这种小单元工作一次所消耗的能源只有神经元的六十分之一，再例如你手中的电话，将你的话音从空中发射出去并将对方说的话送回来告诉你，就是靠一种叫“射频微电子电路”或叫“微波单片集成电路”进行工作的。它们会将你要表达的信息发送给对方，甚至是通过通信卫星发送到地球上的任何地方。其传递的速度达到300000KM/S，即以光速进行传送，可实现双方及时通信。“微电子”不是“微型的电子”，其完整的名字应该是“微型电子电路”，微电子技术则是微型电子电路技术。微电子技术对我们社会发展起着重要作用，是使我们的社会高速信息化，并将迅速地把人类带入高度社会化的社会。“信息经济”和“信息社会”是伴随着微电子技术发展所必然产生的。

1.2微电子技术的基础材料——取之不尽的硅

位于元素周期表第14位的硅是微电子技术的基础材料，硅的优点是工作温度高，可达200摄氏度；二是能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜，这种氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜，从而能使扩散、光刻等工艺结合起来制成各种结构的电路，而氧化硅层又是一种很好的绝缘体，在集成电路制造中它可以作为电路互联的载体。此外，氧化硅膜还是一种很好的保护膜，它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化。第三个优点是受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数。这就为硅器件和电路工艺的制作提供了更大的自由度。硅材料的这些优越性能促成了平面工艺的发展，简化了工艺程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大规模集成电路得到了迅猛的发展。

1.3集成电路的发展过程

20世纪晶体管的发明是整个微电子发展史上一个划时代的突破。从而使得电子学家们开始考虑晶体管的组合与集成问题，制成了固体电路块—集成电路。从此，集成电路迅速从小规模发展到大规模和超大规模集成电路，集成电路的分类方法很多，按领域可分为：通用集成电路和专用集成电路；按电路功能可分为：数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路；按器件结构可分为：MOS集成电路、双极型集成电路和BiIMOS集成电路；按集成电路集成度可分为：小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI、超导规模集成电路VLSI、特大规模集成电路ULSI和巨大规模集成电路CSI。随着微电子技术的发展，出现了集成电路(IC)，集成电路是微电子学的研究对象，其正在向着高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的方向发展。

1.4走进人们生活的微电子

IC卡，是现代微电子技术的结晶，是硬件与软件技术的高度结合。存储IC卡也称记忆IC卡，它包括有存储器等微电路芯片而具有数据记忆存储功能。在智能IC卡中必须包括微处理器，它实际上具有微电脑功能，不但具有暂时或永久存储、读取、处理数据的能力，而且还具备其他逻辑处理能力，还具有一定的对外界环境响应、识别和判断处理能力。IC卡在人们工作生活中无处不在，广泛应用于金融、商贸、保健、安全、通信及管理等多种方面，例如：移动电话卡，付费电视卡，公交卡，地铁卡，电子钱包，识别卡，健康卡，门禁控制卡以及购物卡等等。IC卡几乎可以替代所有类型的支付工具。随着IC技术的成熟，IC卡的芯片已由最初的存储卡发展到逻辑加密卡装有微控制器的各种智能卡。它们的存储量也愈来愈大，运算功能越来越强，保密性也愈来愈高。在一张卡上赋予身份识别，资料(如电话号码、主要数据、密码等)存储，现金支付等功能已非难事，“手持一卡走遍天下”将会成为现实。

2.微电子技术发展的新领域

微电子技术是电子科学与技术的二级学科。电子信息科学与技术是当代最活跃，渗透力最强的高新技术。由于集成电路对各个产业的强烈渗透，使得微电子出现了一些新领域。

2.1微机电系统

MEMS(Micro-Electro-Mechanicalsystems)微机电系统主要由微传感器、微执行器、信号处理电路和控制电路、通信接口和电源等部件组成，主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，它融合多种微细加工技术，并将微电子技术和精密机械加工技术、微电子与机械融为一体的系统。是在现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。当前，常用的制作MEMS器件的技术主要由三种：一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机械制造小机械，再利用小机械制造微机械的方法，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人，微型手术台等。第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件，它与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已成为目前MEMS的主流技术，第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻，电铸如塑造)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑造形成深层微结构的方法，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。MEMS的应用领域十分广泛，在信息技术，航空航天，科学仪器和医疗方面将起到分别采用机械和电子技术所不能实现的作用。

2.2生物芯片

生物芯片(Biochip)将微电子技术与生物科学相结合的产物，它以生物科学基础，利用生物体、生物组织或细胞功能，在固体芯片表面构建微分析单元，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确、快速的检测。目前已有DNA基因检测芯片问世。如Santford和Affymetrize公司制作的DNA芯片包含有600余种DNA基本片段。其制作方法是在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维，不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基本片段。采用施加电场等措施可使一些特殊物质反映出某些基因的特性从而达到检测基因的目的。以DNA芯片为代表的生物工程芯片将微电子与生物技术紧密结合，采用微电子加工技术，在指甲大小的硅片上制作包含多达20万种DNA基本片段的芯片。DNA芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化，对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。生物工程芯片是21世纪微电子领域的一个热点并且具有广阔的应用前景。

2.3纳米电子技术

在半导体领域中，利用超晶格量子阱材料的特性研制出了新一代电子器件，如：高电子迁移晶体管(HEMT)，异质结双极晶体管(HBT)，低阈值电流量子激光器等。在半导体超薄层中，主要的量子效应有尺寸效应、隧道效应和干涉效应。这三种效应，已在研制新器件时得到不同程度的应用。(1)在FET中，采用异质结构，利用电子的量子限定效应，可使施主杂质与电子空间分离，从而消除了杂质散射，获得高电子迁移率，这种晶体管，在低场下有高跨度，工作频率，进入毫米波，有极好的噪声特性。(2)利用谐振隧道效应制成谐振隧道二极管和晶体管。用于逻辑集成电路，不仅可以减小所需晶体管数目，还有利于实现低功耗和高速化。(3)制成新型光探测器。在量子阱内，电子可形成多个能级，利用能级间跃迁，可制成红外线探测器。利用量子线、量子点结构作激光器的有源区，比量子阱激光器更加优越。在量子遂道中，当电子通过隧道结时，隧道势垒两侧的电位差发生变化，如果势垒的静电能量的变化比热能还大，那么就能对下一个电子隧道结起阻碍作用。基于这一原理，可制作放大器件，振荡器件或存储器件。量子微结构大体分为微细加工和晶体生长两大类。

篇（2）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0153-02

目前，集成电路设计公司在招聘新版图设计员工时，都希望找到已经具备一定工作经验的，并且熟悉本行业规范的设计师。但是，IC设计这个行业圈并不大，招聘人才难觅，不得不从其他同行业挖人才或通过猎头公司。企业不得不付出很高的薪资，设计师才会考虑跳槽，于是一些企业将招聘新员工目标转向了应届毕业生或在校生，以提供较低薪酬聘用员工或实习方式来培养适合本公司的版图师。一些具备版图设计知识的即将毕业学生就进入了IC设计行业。但是，企业通常在招聘时或是毕业生进入企业一段时间后发现，即使是懂点版图知识的新员工，电路和工艺的知识差强人意，再就是行业术语与设计软件使用不够熟练、甚至不懂。这就要求我们在版图教学时渗入电路与工艺等知识，使学生明确其中紧密关联关系，树立电路、工艺以及设计软件为版图设计服务的理念。

一、企业对IC版图设计的要求分析

集成电路设计公司在招聘版图设计员工时，除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外，大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求：熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺；熟悉集成电路（数字、模拟）设计，了解电路原理，设计关键点；熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则；掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具；完成手工版图设计和工艺验证[1，2]。另外，公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识，还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广，而国内学校开设这方面专业比较晚，IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大，所以拥有一定工作经验的设计工程师，就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4，5]。

二、针对企业要求的版图设计教学规划

1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件，它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时，一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等，鉴于很少有学校开设这门课程，可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计，可以由Foundry厂提供，也可由公司自定制标准单元版图库，因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。

2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中，无论是CMOS还是双极型电路，主要目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能，匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者，更关心的是电路的性能，了解电压和电流以及它们之间的相互关系，应当知道为什么差分对需要匹配，应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的，面积在某种程度上说仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中，性能比尺寸更重要。另外，模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手，经常需要与前端工程师交流，看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等，这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。

3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此，对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高，版图设计工作还涵盖了电路提取与整理，这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程；而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。

三、教学实现

1.数字版图。数字集成电路版图在教学时，一是掌握自动布局布线工具的使用，还需要对UNIX或LINUX系统熟悉，尤其是一些常用的基本指令；二是数字逻辑单元版图的设计，目前数字集成电路设计大都采用CMOS工艺，因此，必须深入学习CMOS工艺流程。在教学时，可以做个形象的PPT，空间立体感要强，使学生更容易理解CMOS工艺的层次、空间感。逻辑单元版图具体教学方法应当采用上机操作并配备投影仪，教师一边讲解电路和绘制版图，一边讲解软件的操作、设计规则、画版图步骤、注意事项，学生跟着一步一步紧随教师演示学习如何画版图，同时教师可适当调整教学速度，适时停下来检查学生的学习情况，若有错加以纠正。这样，教师一个单元版图讲解完毕，学生亦完成一个单元版图。亦步亦趋、步步跟随，学生的注意力更容易集中，掌握速度更快。课堂讲解完成后，安排学生实验以巩固所学。逻辑单元版图教学内容安排应当采用目前常用的单元，并具有代表性、扩展性，使学生可以举一反三，扩展到整个单元库。具体单元内容安排如反相器、与非门/或非门、选择器、异或门/同或门、D触发器与SRAM等。在教授时一定要注意符合行业规范，比如单元的高度、宽度的确定要符合自动布局布线的要求；单元版图一定要最小化，如异或门与触发器等常使用传输门实现，绘制版图时注意晶体管源漏区的合并；大尺寸晶体管的串并联安排合理等。

2.模拟版图。模拟集成电路版图设计更注重电路的性能实现，经常需要与前端电路设计工程师交流。因此，版图教学时教师须要求学生掌握模拟集成电路的基本原理，学生能识CMOS模拟电路，与前端电路工程师交流无障碍。同时也要求学生掌握工艺对模拟版图的影响，熟练运用模拟版图的晶体管匹配、保护环、Dummy晶体管等关键技术。在教学方法上，依然采用数字集成电路版图的教学过程，实现教与学的同步。在内容安排上，一是以运算放大器为例，深入讲解差分对管、电流镜、电容的匹配机理，版图匹配时结构采用一维还是二维，具体是如何布局的，以及保护环与dummy管版图绘制技术。二是以带隙基准电压源为例，深入讲解N阱CMOS工艺下双极晶体管PNP与电阻匹配的版图绘制技术。在教学时需注意晶体管与电阻并联拆分的合理性、电阻与电容的类型与计算方法以及布线的规范性。

3.逆向版图设计。逆向集成电路版图设计需要学生掌握数字标准单元的命名规范、所有标准单元电路结构、常用模拟电路的结构以及芯片的工艺，要求学生熟悉模拟和数字集成单元电路。这样才可以在逆向提取电路与版图时，做到准确无误。教学方法同样还是采用数字集成电路版图教学流程，达到学以致用。教学内容当以一个既含数字电路又含模拟电路的芯片为例。为了提取数字单元电路，需讲解foundry提供的标准单元库里的单元电路与命名规范。在提取单元电路教学时，说明数字电路需要归并同类图形，例如与非门、或非门、触发器等，同样的图形不要分析多次。强调学生注意电路的共性、版图布局与布线的规律性，做到熟能生巧。模拟电路的提取与版图绘制教学要求学生掌握模拟集成电路常用电路结构与工作原理，因为逆向设计软件提出的元器件符号应该按照易于理解的电路整理，使其他人员也能看出你提取电路的功能，做到准确通用规范性。

集成电路版图设计教学应面向企业，按照企业对设计工程师的要求来安排教学，做到教学与实践的紧密结合。从教学开始就向学生灌输IC行业知识，定位准确，学生明确自己应该掌握哪些相关知识。本文从集成电路数字版图、模拟版图和逆向设计版图这三个方面就如何开展教学可以满足企业对版图工程师的要求展开探讨，安排教学有针对性。在教学方法与内容上做了分析探讨，力求让学生在毕业后可以顺利进入IC行业做出努力。

参考文献：

[1]王静霞，余菲，赵杰.面向职业岗位构建高职微电子技术专业人才培养模式[J].职业技术教育，2010，31（14）：5-8.

[2]刘俐，赵杰.针对职业岗位需求？摇探索集成电路设计技术课程教学新模式[J].中国职业技术教育，2012，（2）：5-8.

[3]鞠家欣，鲍嘉明，杨兵.探索微电子专业实践教学新方法-以“集成电路版图设计”课程为例[J].实验技术与管理，2012，29（3）：280-282.

篇（3）

【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開设《微电子技术基础》的意义

目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。

2.目前学科存在的问题

目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。

近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。

3.微电子课程设置

出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。

微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。

构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。

第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。

第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。

4.教学模式

目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。

教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。

教学形式：课内理论教学+课外拓展。

1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。

2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。

考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。

篇（4）

Abstract: In this article, the principles of the comb digital filter are described, the basic structure of comb digital filter is then be analyzed. A simple design method for CIC DF is also presented. To reduce using space of the chip. The system is described with the analysis and illumination in detail.Basis on that, the system model is also established by MATLAB system Tool. In RTL-level, Verilog coding of CIC DF is made. At the same time, the simulation and of the whole circuit are accomplished through the software of Modelsim.

Key words: digital decimation filter;integrator;differentiator;moving average;comb filte

∑ΔADC在目前大多数混合系统中占有非常重要的地位。∑ΔADC由两个主要的部件构成:一个模拟∑Δ modulator(调制器)和一个数字抽取滤波器(digital decimation filter)。数字抽取滤波器的主要作用是滤除可能引起混迭的带外噪声,其次,它能够将前级调制器过采样的高速率数据降低至Nyquist频率,同时提高数据的分辨率(字长)。这一过程就是抽取(decimation)。所谓梳状滤波器(comb filter),该名称来自于其幅频响应的特点,对于一个长度N=24的梳状滤波器系统的抽样频率fs=48KHz,那么其幅频响应过零点将是2KHz及其整数倍的谐波,如图1所示。

这对于去除工频以及谐波的干扰是非常有利的。选用梳状滤波器还有其他的好处,它不需要乘法器,而且所有的系数都是1,不需要存储单元来存放系数,另外,对于不同长度的梳状滤波器,由于其结构规整,易于调协,也是比较容易由同一个梳状滤波器来转换实现的。

本文所涉及的梳状滤波器的设计,可应用于电力测量领域∑ΔADC中,其工作在中速条件下,满足高精度低功耗的要求。本滤波器的设计主要从精度和功耗的角度出发。此外,一种新的硬件实现形式在这里提出来,有效的减小了芯片的面积。文章先对梳状滤波器的工作原理进行了推导,详细的分析系统幅频特性,在此基础上,对于有效减小芯片面积的硬件实现方法给予了详细说明,最后对系统的功能特性进行了验证与仿真。

1梳状滤波器模型的建立

一个长度为N的一阶梳状滤波器的冲激响应和传递函数如下:

h(n)=10≤n≤N-10其他

H(z)=■Z■=■

在时域内对应的基本表达式为:

y(n)=x(n)+x(n -1)+......x(n -N +1)

这个FIR(有限冲激响应)系统的信号流图如图2所示。

其中Z-1表示单位延时。显然,其输出为前N项之和(每一项的系数都是1),最终实现了滑动平均(MA)的功能,所以又称为滑动平均滤波器。滑动平均滤波器的幅频响应的包络为sin(x)/x,也被称为sinc函数滤波器。

简单的一阶梳状滤波器主要由三个功能单元组成:积分器,抽取器和微分器。系统连接关系及响应如图3。

下面对各个部分给以简要说明:

a)积分器

时域传输函数:

y(n)=y(n-1)+x(n)

对应的Z变换:

Y(z)=z-1Y(z)+X(z)

得到积分器Z域的传递函数:

H(z)=■ =■

数字积分电路实际上就是累加器,用来累加和存储输入数据。可以表示为:

b)抽取器

抽取器的作用是每隔N个采样,把积分器的输出传送给微分单元进行相应的运算,简单的实现方法是用分频时钟来控制采集(每隔N个输入数据的采样)数据,然后放入相应存储单元中,需要注意的是抽取器的时钟与积分单元和微分单元时钟的配合问题。

c)微分器

时域传输函数:

y(n)=x(n)-x(n -1)

对应的Z变换:

Y(z)=X(z)-Z -1X(z)

得到微分器Z域的传递函数:

H(z)=■ =1-z -1

数字微分器的输出是当前输入与上一次输入之差。系统模型如图7。

数字微分器要做减法运算,这一过程可以通过简单把输入信号通过反相器,然后再做加法运算来实现。

d)把抽取部分和微分部分结合起来,可得到梳状频谱。由图9可以看出,梳状响应可以很好的起到陷波作用,但是同时也影响到了基带内的信号,所以前级的积分器是不可或缺的。

值得注意的是一阶梳状滤波器结构简单,但是噪声抑制能力有限,可以采用多级(multi-stage)级联结构来获得理想的性能。级联梳状滤波器sinc3传递函数为:

H(z)=■h■Z■=■Z■■

其中M是滤波器的阶数(order),N代表抽取因子,hi是系统的冲激响应。在时域将其展开为输出递归方程(N=8):

y(n)=x(n)+3x(n -1)+6x(n -2)+10x(n -3)+15x(n -4)+21x(n -5)+28x(n -6)+36x(n -7)+42x(n -8)+46x(n -9)+48x(n -10)+48x(n -11)+46x(n -12)+42x(n -13)+36x(n -14)+28x(n -15)+21x(n -16)+15x(n -17)+10x(n -18)+6x(n -19)+3x(n -20)+x(n -21)

由表达式可以看出,有限冲激响应的抽样响应(hi)满足对称性,该滤波器具有线性相位[1]。

基于以上讨论,很容易得到级联滤波器的结构,即级联积分梳状数字滤波器(CIC DF)。

图10中的加法符号对应一个加法器电路。可见,加法器是整个系统的主要运算单元,而且对于这种直接串联的形式,每一级都包含有执行相同功能的加法器单元,结果是增加了功耗,造成芯片面积的浪费。一种有效的做法是整个硬件电路只用一个加法电路单元,当数据在不同级(stage)之间流动时,由外部信号控制调用加法器,完成本级积分或微分运算。这种高硬件利用率的方法,显然不会影响电路功能的执行,而且减小了芯片的面积。

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

2硬件实现方法

基于以上的思想,为梳状滤波器的提供了一种新的实现方式。可以将梳状滤波器硬件分成以下几个部分:

1, 加法器:sinc函数运算的主体。

2, 存储单元组:用于存放中间值和输出值。

3, 钟控电路:控制存储单元存储数据。

4, 选控电路:选择存储单元组中的数据送入加法单元。

调制器输出的数据(通常为0或1的量化序列)在被滤波器系统采集前,通常要进行编码预处理,把0或1转换为相应的二进制补码形式,目的是为了有效的防止数据溢出[2]。可以采用专用的编码扩展电路来实现,也可以把变换镶嵌在运算主体部分实现,以有效缩减面积,此外这种做法减少了工作在高频部分的器件数量,减少了系统的功耗。

由图11 可以看出,数据在系统内部主要是在加法单元和存储单元之间进行传输流动的,只要设置合适的控制信号(这些控制信号相当于连接sinc函数不同级(stage)的路由开关),再配合合适的CP来控制存储器(一般由D触发器实现)存储相应的输出数据,这样就提高了加法器的利用率。

在积分阶段,数据被采样进入integrator,首先,开关ch1,ch2(ch2控制着reg1, reg1中存放着上一次积分运算的值,因为要进行累加运算) 闭合,数据进入加法器完成一次积分(stage 1)运算,此时,开关cp1闭合,把结果存入reg1。完成一次积分运算后,开关ch1打开,ch2和ch3同时闭合,reg1和reg2中的数据同时送入加法器完成二次积分(stage2)运算,此时,开关cp2闭合,新的结果存入reg2中。三次积分(stage3)的运算过程同上,开关ch3,ch4闭合把存储值送入加法器,cp3闭合,积分结果放入reg3。至此,完成了三次积分(sinc3)操作,最后输出y(n)。图中的chx开关由选控电路实现,cpx开关由钟控电路实现。可以看出,chx和cpx时序的配合是整个系统功能实现的关键。选控和钟控时序如下所示(chx低电平有效,cpx时钟上升沿有效):

抽取功能的实现是把积分部分的结果存储在带有时钟控制的D触发器中,这个控制时钟的跳变频率决定着抽取率。

对于微分器的执行,可以采取与积分器相同的方式。具体的做法是由存储单元送出的值经过一次反相之后才传送给加法器。需要注意的是,微分器的时钟是积分器时钟频率的1/N(积分器结果要经过1/N抽取后才送入微分器进行运算)。

3系统验证与仿真

验证三级级联积分梳状滤波器系统响应的“等效”模型(matlab)如图16所示:

系统的幅频响应:

系统的参数指标:

通带截止频率:1050Hz

阻带截止频率:1.8E+5Hz

信号在阻带内的衰减:>120dB

分别选取800Hz (位于通带)和200kHz(位于阻带) 的正弦信号加入输入端 。

如图19所示,从输出端结果可以看出,该系统完成了对阻带内高频信号的滤除。

4电路描述与仿真

级联滤波器的部分verilog 源码:

A)积分运算部分:

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_1

else if(di == 1'b1)

integrator_1

else

integrator_1

end

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_2

else

integrator_2

end

always @(posedge clk)

begin

if(rst == 1'b1)

integrator_3

else

integrator_3

end

B)微分运算部分:

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r1

else

dif_r1

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r2

else

dif_r2

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dif_r3

else

dif_r3

end

always @(posedge tff3 or posedge rst)

begin

if(rst == 1'b1)

dm

else

dm

end

5总结

本文采用级联抽取滤波的原理和方法实现了sinc函数数字抽取滤波器的设计,这是一种节省芯片面积的数字级联积分梳状抽取滤波器的实现方法。我们根据sinc传递函数的数学变形,把系统分成了积分,微分,及降频三个部分,最终确定系统的传递函数,并在Matlab中搭建出系统的模型。在选用合适的电路结构建级联积分梳妆滤波器电路后,完成了仿真。整个硬件电路所占用的版图面积可缩减到约0.336mm。电路工作在4MHz时钟,5V电源电压条件下的功耗为500μA。既达到了∑?ADC对于数据精度的要求,同时也缩减了芯片的面积,降低了系统的功耗。

参考文献

[1]胡广树著:《数字信号处理导论》,北京,清华大学出版社,2006。

[2]郝金光,冯宇,邱相艳,“Hogenauer CIC滤波器算法研究及FPGA设计实现”,Microcomputer Application,vol,22,NO.9.2006

[3] R J Backer, H W Li, D E Boyce. CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation.

Wiley-IEEE,1998.

[4]Arthur B.Williams, Fred J.Taylor著:《电子滤波器设计》p420-p460, 北京,科学出版社,

2008.

[5] Harry W.Li, David E.Boyce 著:《CMOS 电路设计・布局与仿真》p194-p206,北京,机械工业出版社,2006。

[6] J.C. Candy, “Decimation for Sigma Delta

Modulation”,IEEE Transactions onCommunications, Vol. COM-34, No. 1,pp. 72-76, Jan. 1986.

[7]E. B. Hogenauer, “An economical class of digital filters for decimation and interpolation,”IEEE Trans, Acoust. Speech Signal Process.,Vol. ASSP-29, No. 2, pp. 155-162, April 1981.

[8] A. V. Oppenheim and R. W. Schafer, Discretetime signal processing, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989.

作者简介

宋强国,硕士研究生,研究方向:集成电路的设计与研究。

王莹莹,学士学位,研究方向:集成电路的设计与研究。

孟祥鹤,硕士研究生,研究方向:集成电路的设计与研究。

韩路,高级工程师,研究方向:集成电路的设计与研究。

吕楠,高级工程师,研究方向:集成电路的设计与研究。

吴春瑜,教授,硕士生导师,主要从事集成电路及半导体器件的教学与研究。

篇（5）

【关键词】硅通孔技术 三维集成电路 设计原则

三维集成电路是指多层面构建集成电路，可进一步扩展布局空间，减少线路相互之间的干扰，解决信号拥堵问题，扩大频宽，降低功耗，最终提高系统性能。3D封装是三维集成电路关键技术，主要包括裸片堆叠封装、叠层封装与封装内堆叠三种具体实现形式，各有优劣。贯穿硅通孔技术（TSV）是一种系统级架构技术，可实现层级间裸片互联，是目前最先进、应用最广泛的互联方式之一。本次研究就基于硅通孔技术的三维集成电路基本设计进行概述与分析。

1 TSV制备

TSV制备工艺据通孔制作工艺顺序可分为先通孔与后通孔两种，先通孔是指在制备IC时同时通孔，后者是指在制备IC后通孔。

前通孔主要特征包括：（1）工艺在CMOS或BEOL制备前应用；（2）在元件设计阶段即介入应用；（3）需严格的CD控制；（4）通孔宽度为5-20μm；（5）深宽比AR3：1-10：1。而后通孔主要特征为：（1）工艺在BEOL或TSV键合（Bonding）制备后应用；（2）在设计阶段后期介入；（3）CD控制较宽松；（4）通孔宽度20-50μm；（5）深宽比AR3：1-15：1。

通孔刻蚀技术是TSV技术的核心，强调通孔尺寸一致性，无残渣，形成需达到一定速度，规格设计具有一定灵活性，目前仅有IBM及其部分代工厂掌握该核心技术。通孔刻蚀技术主要可分为博世工艺技术、激光刻蚀技术，两者各有优劣。博士工艺孔径大小、数目、深度无特殊要求，但孔径侧面较粗糙，材料成本高，需要光刻。激光刻蚀仅适用于>10μm孔径通孔，孔径数目也受吞吐量影响，但通孔侧壁表明光滑，耗材低，无需光刻。

通孔后，TSV需进行填充，涉及通孔绝缘、淀积与电镀多个工艺步骤，使用材料包括硅烷、正硅酸丁酯等。填充时需要考虑填充绝缘、沉积温度等多个方面因素，一个细节的疏忽都可能影响通孔性能，进而影响系统稳定性与功效。目前，主要填充技术包括溅射沉积、均匀淀积，但考虑到成本因素，电镀铜是目前应用最广泛的硅通孔填充方式。

最后为实现晶体TSV互联，需应用TSV键合技术，目前最常用的键合技术包括金属-金属键合、氧化物共熔键合与高分子黏结键合。三种键合技术各有优劣，应用均十分广泛，但均只适用于满足电学特性的光滑键合表面，不能进行机械表面与电学特性表面键合，金属-金属键合有望打破这种限制。

2 反映TSV性能的参数及其意义

2.1 互联延时

全局互联普遍被认为是集成系统性能提升的设计瓶颈，全局互联产生的连线延时决定系统时钟频率与速度传输限，创造一种更有效的互联策略已成为当今电路设计中研究热点。缓冲器插入式目前应用最广泛的一种缩短全局互联延时的设计，使用灵活，有助于减少硅通孔数目与集成密度，进而降低互联延时效应，提高系统性能，降低误差。

2.2 互联功耗

互联功耗与系统电路规模与集成密度有关，目前，互联电容已取代门电路成为片上功耗与动态功耗主导因素，插入缓冲器后功耗与全局互联规模有关。应用硅通孔三维互联构架，可减少互联需要，但却需要更多的缓冲器，增加片上功耗，在设计PSV时，需充分考虑PSV功耗。

3 TSV三维集成具体设计主要思路

3.1 阻抗特性差异

三维集成虽然可缓解不同材料、工艺差异所产生的串扰噪声，降低混合技术同化复杂度与电路模块电磁干扰，最终降低成本，提高效效能，但与此同时，三维设计也增加了阻抗差异。阻抗差异后是源层互联固有缺陷，应用TSV技术互联则增加了阻抗差异，进一步放大了这种缺陷。因此将TSV应用三维集成系统构架中，需综合考虑阻抗差异，尽力减少阻抗差异对互联信号的影响，避免信号发生反射或失真。

3.2 热管理与优化

电路工作之中不可避免的发散热量，热效应已成为影响集成电路功效、元件可靠性的重要因素之一。三维集成技术增加了芯片物理层数，顶端物理层与散热片距离显著增加；三维集成技术缩短了物理尺寸，芯片功耗密度显著增加，热效应增加，芯片内温度上升，可能造成元件性能下降，电迁移失败，甚至可能造成物理损毁。应用TSV技术，可能影响整个芯片热扩散效果、途径，因此在设计TSV系统构架时，需对热扩散进行预测，分析芯片内外温度分布，并提出热优化技术与策略，降低消热阻。目前常采用的热优化技术策略为减薄衬底厚度，降低散热片等效热阻，热驱动优化，布局优化，热通孔插入，等。

4 碳纳米管TSV设计

碳纳米管具有优良的电热传输特性，平均自由程较长，耐高温，是一种较理想的互联材料，具有较大的发展潜力。碳纳米管电流承载密度极限远高于铜，电子迁移稳定，有助于克服承载不稳定性TSV技术这一固有缺陷。碳纳米管具有一维导体特性，热特性较高，热传导率极高，可达到3000～8000W/m-K，将碳纳米管应用于TSV集成可极大的提高系统散热能力。

5 小结

硅通孔技术是三维集成电路制造核心技术之一，其技术水平直接影响系统性能、稳定性。电路设计工作者，在应用TSV技术过程中，应尽量采用时下成熟的TSV制备技术，把握具体设计思路，从提升系统整体性能出发，提升设计水平。同时，应具有创新、探索精神，积极尝试引入新材料、技术与理念，大胆尝试，开阔设计思路，以探索更优的设计方案。

参考文献

[1]X.ChuanL.Hong，R.Suaya and pact AC modeling and performance analysis of through silicon vias in 3-D ICs.IEEE Trans.Electron Devices，2010，57（12）：3405-3417.

[2]童志义.3D IC集成与硅通孔（TSV）互联[J].电子工业专用设备，2009（27）：26-29.

[3]王高峰，赵文生.三维集成电路中的关键技术问题综述[J].杭州电子科技大学学报，2014，34（2）：1-5.

作者简介

篇（6）

中图分类号：TN-9 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）23-0170-02

一、引言

摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登・摩尔（Gordon Moore）在搜集1959年至1965年集成电路上晶体管数量的数据的基础上，于1965年4月提出的[1]。即当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。戈登・摩尔提出摩尔定律后的几年内，世界多数半导体公司按照这个定律制定了产品更新策略。1969年，摩尔和朋友建立英特尔公司并制定电子信息产业标准。此后，英特尔公司生产的大量产品都验证了摩尔定律的准确性。直到目前，全球仍有多数知名半导体制造公司一直遵循摩尔定律进行产品生产，如英特尔、高通、AMD、ST等[2]。

摩尔定律核心是不断增加的晶体管的数目，以及更强大的性能和更高的集成度，这也会带来一系列问题，如设计者需要使用各种方法来解决高温问题[3]。但这却能促进制作工艺的提升和集成电路中晶体管数目的增加。一方面，更强大的性能来源于更多晶体管数目；另一方面，制作工艺的更新也促进性能的提升。很多制造集成电路的工艺被英特尔公司使用，比如180nm，90nm，65nm，45nm，32nm等，来也将有14nm和10nm[4]。其他半导体制造公司也有各自的制作工艺，如台积电公司等。

基于以上问题和相关介绍，从1965年起，几乎所有的半导体厂商都遵循了摩尔定律。每一次进步都使得集成电路上能容纳更多的晶体管，并且带来更低廉的价格。然而，在摩尔定律提出的40年以来，也出现了一些问题，一度让人们怀疑摩尔定律是否会被终结[5-6]。但是摩尔定律一直发展到了今天，在未来几年内也会一直有效。

二、摩尔定律与晶体管数目

1.晶体管数目增加的影响。摩尔定律的经典结论是，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也提升一倍。不断增加的晶体管数量意味着更强大的性能，包括更多的功能和更快的运行速度。集成电路功能可以不断提升。例如，原来的8051单片机没有集成片上模数转换，而现在的单片机如集成Cortex-M3内核的STM32内部集成了模数转换模块。这些模块的增加给工程设计带来很多便利，在印刷电路板上不再需要额外的集成电路，并且可以提高传感器的精确度，在AMD的Tahiti XT中集成了4，312，711，873个三极管[7]。最近几年，提出了一个新的概念――片上系统（Soc）。片上系统的集成电路可以拥有更强大的系统功能、更低廉的价格以及更低的耗电量和更小的供电电压。同时，更多的晶体管意味着更快的运行速度。目前最大的个人CPU I7-3970X拥有22.7亿个晶体管[8]，而上一代最大的个人CPU I7-990X拥有10.17亿个晶体管[9]。目前最大个人电脑的核心部件如表1所示。

2.晶体管数目对温度的影响。工程设计人员希望通过增加单位面积里晶体管的数量来提高性能，并希望通过更先进的制造工艺来控制温度。所以新型集成电路的温度并不会比之前集成电路的低。如今，设计者也可以使用其他途径来解决温度问题。多数电脑使用风扇或者水冷，甚至液氮来冷却。为了更有效率地对集成电路进行冷却，冷却技术需要不断地进行改进和提高。现今集成电路冷却业是一个大产业并且不断发展，世界上有很多专注于此的公司。

三、摩尔定律与价格

当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。因为集成电路的价格主要来源于制作工艺提升的费用，更先进的制作设备需要更先进的生产技术和工厂来支持，而集成电路原料的价格可以忽略。英特尔公司在设计集成电路之外，也建立了先进的工厂来保证制造工艺。建造工厂需要花费大量的物理与财力，所以需要通过增加产品的数量并增加工厂的工作年限来减少生产集成电路的平均费用。台积电是一个非常著名的集成电路制造代工公司，它使用了另一种方法来减少生产集成电路的平均费用。NVDIA，AMD，Qualcomm以及一些其他的集成电路设计公司都是台积电的客户。通过帮助大量的集成电路设计公司生产集成电路，台积电可以生产出大量的产品来提供建设厂房所需要的花费。第一台计算机是为了计算炮弹弹道而生产的，所以拥有足够的军费支持。而工业中费用的问题不能忽视，所以集成电路变得越来越廉价，嵌入式系统也被运用在工业控制中。因为嵌入式系统低廉的价格，除了工业控制之外，其他很多领域也在使用单集成电路微处理器。例如智能家居、智能手机、无人飞机等等。在各个领域中广泛运用的电子设备是使我们的生活能变得更智能更现代的原因之一。在摩尔提出摩尔定律的1965年，这些智能化生活都是不可想象的。

四、摩尔定律未来发展趋势

1965年提出的摩尔定律对世界来说是一个重大事件。而现在，我们将怎样评价它48年来对世界的影响？不管怎样，摩尔定律巨大的影响是不可否认的。在摩尔的眼里，摩尔定律所揭示的速度是不可能永远持续下去的[3]。一些文章认为摩尔定律将会因为漏电流和高温被终结[5]。一些其他的观点则认为导致摩尔定律终结的原因是制造商不能收回研发和建造工厂的巨大成本[6]。一个半导体工业协会出版的名为“未来技术发展蓝图”的文件指出，10nm级的工艺是关键，因为以往的机械制作工艺将不能达到其制造的所需要求[6]。关于摩尔定律的继续发展和未来影响，我们有以下看法。

第一，首先是制造工艺上的一些问题。依照目前的发展趋势，有两个方面的问题越来越明显，就是关于漏电流和高温。这些问题需要通过制造工艺的进步来解决。摩尔曾经指出漏电流将会限制摩尔定律发展，当晶体管的尺寸不断减小，漏电流的影响将使得功耗增大。如果设计者不断减小晶体管的尺寸，电流将变得越来越大并烧毁晶体管。

得益于3D晶体管技术，这个由于漏电流产生的问题暂时得到了解决，集成电路还可以工作在更低的驱动电压下。关于温度，由于更先进的制造工艺，在保持同样晶体管数量和性能下，新型号的集成电路的温度总会低于旧型号的集成电路。在奔腾4时代，英特尔不能很好地解决高温的问题。但得益于多核技术，英特尔推出了名为酷睿的产品来解决这个问题。现在，很多移动平台集成电路供应商都使用多核技术来解决高温的问题。同时，为了控制功耗在100W以下，一个叫ARM的著名集成电路公司推出了一个名为big.little的新异构计算解决方案，这个架构将功耗高、性能强的处理器，与功耗低、性能弱的处理器封装在一起。并希望借此能提高处理器的效率，产生能达到高性能但功耗低的处理器。

各种新出现的技术问题将导致发展放缓。首先在于集成电路的制造方面，比如当集成电路达到10nm数量级时，光学加工手段将会取代机械加工手段。英特尔使用疝灯产生的远紫外线来雕刻集成电路，IBM使用X光，这将可能解决工艺尺寸的问题，比如制造14nm尺寸的芯片。如果新的制造手段将被发现，将继续提高集成电路性能。再看看其他方面的限制，比如耗电问题。目前芯片性能的进步很快，但同时也会增加耗电量。这些都可能是集成电路发展的一个不可逾越的瓶颈，导致摩尔定律不再适用，电子信息产业不再迅速发展。

而对于工艺的更新速度，可以参考英特尔的策略，根据英特尔提出的“Tick-Tock”战略，在接下来的一年，将会有7nm和5nm制作工艺的集成电路推出。当“Tick”年来到，集成电路的制程将会更新；而“Tock”年到来时，集成电路的微处理器架构将会更新[9]。

第二，财务因素是每个公司发展的决定性因素。一些专家认为公司无法负担起建设新厂房所需要的大量资金。新的集成电路所带来的利润不足以让公司支付这些费用并盈利，集成电路的更新速度将会放缓。目前，英特尔正在以色列建设10nm生产工艺的工厂。在电子信息产业发展早期，硬件能力的增长跟不上软件需求发展的速度（软件设计总是需要更高性能的硬件），所以对硬件的性能提升有很大的需求，每次硬件的增长都被快速地应用在软件上。而现在软件的复杂性增长已经趋于平缓，而不是继续高速复杂化。比如新一代的Windows 8操作系统对硬件的要求甚至低于老一代操作系统Windows 7[8]。一直致力于提高芯片性能的英特尔也推出了功耗更低和超低电压CPU，由英特尔极力推广的超极本逐渐成为了未来笔记本的发展方向。另一方面因为大多数用户并不需要如此强劲的性能，而更加看重用户体验，加上购买高性能处理器的花费太高，导致技术进步的速度受到限制。比如只有少部分中国人使用昂贵的I7处理器。如果不能有效地控制成本，并且没有大量的市场需求，集成电路性能提高的速度将大大放缓。

第三，全新的制造材料将改变集成电路的发展方向。在晶体管发明以前，没有人能预料到今天电子信息产业的繁荣。也许我们能使用新的材料或者技术来改变现状。我们可以考虑使用其他的半导体元素代替硅元素制作晶体管，比如元素周期表上第三和第五族的元素。利用它们不同的属性，提高芯片的性能。但这可能仅仅是权宜之计，因为它们可能也会遇到与硅元素相同的问题。石墨烯也是一个很有希望的晶体管材料。但是它也有很多问题，比如没有足够的带隙，人们对它的了解也不足够充分。这些材料和技术目前都处于探索之中，未来也许也会有新技术出现，并带来革命性的改变。如果将来的某个发明，改变了集成电路性能提升的方式，或者产生了新的计算机技术，取代了现有的集成电路工作原理，那么摩尔定律可能将不再适用。

五、结论

由本文的研究分析可以得出，目前集成电路的发展还会遵循摩尔定律，并伴随电子信息产业的飞速发展。而若干年以后，集成电路和电子信息产业的发展速度将会放缓。此外，集成电路性能提升的方式也可能会发生改变。

目前，电子信息产业发展飞速，如同大多数工业产业一样，由刚刚兴起时的发展困难到随后的一个高速发展时期，然后又逐渐趋向平稳。在电子信息产业中，这种现象可能出现在五年后，也可能在十年或者二十年以后。但这一天一定会到来，没有人可以打破这个基本的自然规律。在未来几年内，摩尔定律还将适用，电子信息产业仍将快速蓬勃发展。在未来的某天，摩尔定律将失去它的价值，电子信息产业也将会以其他的形式和方向继续发展。

参考文献：

[1]Nam Sung Kim，Leakage current：Moore’s Law Meets Static Power[J].the IEEE Computer Society. December 2003：68-75.

[2]陶然.守望摩尔定律[J].电子产品世界，2010，（6）：2-4.

[3]沈建苗.摩尔定律是否有未来[J].微电脑世界.2011，（9）：12-15.

[4]Desktop 3rd Generation Intel Core Processor Family，Desktop Intel Pentium Processor Family，and Desktop Intel Celeron Processor Family[EB].http：///content/dam/www/public/us/en/documents/datasheets/3rd-gen-core-desktop-vol-2-datasheet.pdf，January 2013.

[5]齐书阳.摩尔定律会终结吗[J].电脑爱好者，2013，（8）.

[6]赵佶.摩尔定律何时会失效[J].半导体信息，2012，（5）：4-8.

[7]Mike Mantor. White Paper|AMD GRAPHICS CORES NEXT （GCN） ARCHITECTURE[EB].http：///cn/Documents/GCN_Architecture_whitepaper.pdf，August，28，2012.

篇（7）

《微电子封装与测试》课程是微电子专业的一门重要的专业基础课，同时又涉及到高度交叉的诸多技术领域，包括电子、机械、材料、化工和物理等专业技术，是理论与实践并重的技术基础课程。随着集成电路产业的发展，电子封装越来越受到人们的重视。国内的微电子封装技术教育已经得到国家及相关部委的重视，国家教委设置了“微电子制造工程”目录外专业，国防科工委设置了“电子封装技术”目录外紧缺专业。许多高校的材料学、材料加工、机械制造方面的研究也逐渐向电子封装的材料、工艺和装备转移，陆续创办了许多独立的电子封装技术或微电子制造专业。

 

湖北大学于2006年申请增设“微电子学”专业，专业挂靠物理学与电子科学学院，2007年开始招生，每年招收规模70人。从2007年起已经有4个班级近三百名学生从该专业毕业，并大都从事与专业相关的工作岗位。作为新开设专业，如何立足学校的办学定位，服务于国家和地方经济社会发展，都对新开微电子专业本科教育提出了更大的挑战，也带来了难得的机遇，同时对微电子课程体系建设和专业特色课程教学内容的选取都提出了较高要求。笔者根据对已毕业学生的走访反馈和四年间的教学实践活动，结合在湖北大学微电子专业方向的《微电子封装与测试》课程教学工作，以及在课程建设中的一些心得体会，以《微电子封装与测试》这一专业特色课程为例，就如何开展微电子专业的专业课程教学进行探讨。

 

一、强化专业特色，优选教学内容

 

不同高校不同专业对电子封装课程教学内容偏重点有所不同，“985”和“211”高校重在培养研究型人才，偏重于传授理论知识。湖北大学在微电子专业中开设了《微电子封装与测试》课程，和其他高校重在培养研究型人才而偏重于传授理论知识不同，为了能够使毕业生有较好的就业前景，湖北大学的培养目标定位于培养满足微电子材料与器件制造等高新技术产业需求的高素质创新人才。因此，更希望课堂上学生能够在接受本专业知识外，同时扩大知识范围。

 

《微电子封装与测试》课程是一门学时数为54学时的专业必修课，根据教学培养计划，《微电子封装与测试》课程开设在大三下学期，在此之前，学生以学习公共基础课和专业基础课为主。为了紧盯培养目标，突出学科重点，我们设计优选的《微电子封装与测试》理论课程体系总体分为七个部分：①电子制造概述，介绍电子制造整个过程以及微电子封装在其中所处的阶段，包括微电子封装的意义、功能及发展趋势;②封装材料，包括高分子封装材料、陶瓷封装材料、焊接材料、引线框架材料等;③封装工艺过程，包括芯片贴装、芯片互连、引线键合等;④封装设计，包括电设计和热控制设计;⑤先进封装技术，主要包括BGA技术、CSP技术、WLP技术及MCM技术等;⑥可靠性设计及封装测试;⑦封装技术展望。我们在授课中尽量删除繁琐的理论推导，如焊点过程中的受力过程理论分析、键合过程中热量的分布等，对部分过时的技术知识也做了相应的调整，主要是以必需和够用为度。另外，还增加一些热门专题，如光电子、LED封装、液晶显示等的封装知识及国际国内相关法律法规等，并通过PPT及相关视频展示，进一步开拓学生对新兴先进的封装知识的了解。

 

二、结合科研实践，开设创新实验

 

湖北大学物理学与电子科学学院以前的仪器设备配套以物理、电工电子、功能材料制备、集成电路器件与工艺等实验室为主。为了结合已有的实验条件和目前的科研基础，增强微电子专业的实践教学条件，我们正在开展以下相关工作：

 

1.在原有EDA实验室的基础上扩建专业集成电路设计实验室，建立集成电路设计EDA实验与验证平台，主要用于集成电路设计的仿真和正确性的验证，包括超大规模可编程逻辑器件EDA设计与验证实验、硬件制作实验。我院已有20套EDA验证板，并已开设多个专业设计实验。随着新专业的成立和学生人数的增加，计划增加30套FPGA(或CPLD器件)验证板，并增加示波器、任意型号发生器等辅助工具。

 

2.集中建立集成电路工艺与微加工技术平台。湖北大学“铁电压电材料与器件”省重点实验室及“材料物理与化学”省重点学科现有离子刻蚀、真空镀膜、光刻、退火等分散工艺。拟增设扩散等基本工艺，集中建立半导体工艺实验室，让学生能够实践掌握并研究发展集成电路与微加工工艺的整个流程。

 

3.争取能与产业结合，联合办学，直接培养企业需要的高层次专业人才。为企业服务，并为企业提供科研支撑。

 

同时，实践教学模式也将进行调整。改目前的一课一师为一课多师，实行一岗多师的团队教学，实现学生为主体和教师为主导的教学模式。课时安排采用分组教学(3～5人/组)、组间大循环、组内小循环的轮岗实训制。

 

三、产学研结合，注重实践、实(见)习基地建设

 

实践才是工科专业教育的根本已成为国际高等工程教育界的共识。美、日等国工科专业的实践教学时数已占总学时的35～40%。近年来随着新的教学计划的修订，我国实验和实训等环节在整个教学计划中的比重明显增大。实践教学是《微电子封装与测试》课程的重要组成部分，是培养学生动手能力、认知能力和创新能力的重要环节。为了培养具有较强创新和实践能力的、符合社会需求、高素质复合应用型工程技术人才，伴随着2007年 “微电子学”专业的组建，我们加强了实(见)习和实训教学环节建设，将原有EDA实验室、“铁电压电材料与器件”省重点实验室、高性能计算实验室等进行了改建和扩建。同时，联合校外企事业单位，如苏州固纬电子有限公司、东莞呈威电子有限公司、天津港东科技发展有限公司以及江苏绿扬电子仪器集团有限公司等，建立了具有本校特色的校内外微电子封装与测试生产实(见)习基地，通过参观相关企事业增强学生对生产过程的初步直观认知。同时，采取与企业实际生产接轨的流水线式实习安排，让每个同学负责生产制造过程中某一项工序，并定期进行轮换工作，适时地对学生进行安装、组装、贴装和封装等具体工艺的实训，而这些实训内容是微电子封装课程和“微电子学”专业的必备技能。通过这些实训和实习，进一步增强学生对封装工艺的感性认识和体验。

 

实(见)习等基地建设是实现加强实践教学，提高实践教学质量水平，推进产学研相结合研究的基本保证。其目的是为学生创造更多机会进入实践基地学习锻炼，进一步加强实践能力和创新能力的培养，同时实现资源共享，提高设备的利用率。加强现有实践基地的建设，同时开辟新的实践基地，不仅有利于产学研相结合研究的发展，而且有利于实践教学基地的长效运转。湖北省以光电子产业、数字化3C(计算机、通信、消费电子)产业、专用集成电路和软件产业、新型元器件及新材料产业为发展重点。武汉市东湖开发区内武汉中原电子有限公司、武汉富士康、武汉新芯电子有限公司与我校有着良好的合作传统，并且已经接纳了部分微电子专业方向的学生就业。随着以上产业在武汉市的进一步发展和相关国际大公司在武汉的设厂，我们将进一步拓展相关的实践、实(见)习基地，为微电子专业方向的学生创造更多进入实践基地学习锻炼的机会。

 

四、考核方式的改革

 

《微电子封装与测试》课程评价的根本目的是为了让学生掌握目前主要的封装工艺以及相关评价封装效果性能优劣的参数。课程评价应准确反映学生的学习水平和学习状况，全面落实课程目标。目前，我们采用的考核方式包括态度纪律考核标准和单元实践考核标准。态度纪律考核标准是以考勤、作业、参与实践的积极性等方面作为平时成绩，而单元实践考核标准是以课后作业作为单元实践考核标准，两者构成了课程的平时成绩。以平时成绩占40%，期末考试成绩占 60%，最终得到学生《微电子封装与测试》课程的评定成绩。这种考察方式存在检查手段单一，不能客观公正地反应学生的实习技能和所掌握的知识。由于单元实践考核存在不同程度的互相抄袭现象，考试较难反映出学生的动手能力。所以，我们将根据不同学习内容的知识结构特点，按照不同结构的课程目标和能力训练，抓住关键，突出重点，采用合适方式，提高评价效率，具体内容如下：

 

1.恰当运用多种评价方式。学习过程中的评价关注学习过程，有利于及时揭示问题、及时反馈、及时改进教与学活动。最终评价关注学习结果，有利于对教学活动作出总结性的结论。学习过程中的评价和最终评价都是必要的，应加强学习过程中的评价，注意收集反映学生学习与发展的资料。

 

2.注重评价主体的多元与互动。应注意将教师的评价、学生的自我评价及学生之间的相互评价相结合，加强学生的自我评价和相互评价，促进学生主动学习，自我反思。评价要理解和尊重学生的自我评价与相互评价。根据课程的需要，将来可让从事微电子封装行业的专业人员等适当参与评价活动，争取让学生获得来自企业一线的准确评价。

 

湖北大学“微电子学”专业在2007年开始首届招生以来，教学计划已经进行了两次较大修订，最大变化是物理、电子类课时减少，技术基础课时增加，实验门数和学时大幅度增加。优化后的课程体系对学生能力培养与社会需求更加接近，主要体现厚基础、增后劲、适应社会需求强等特点。而《微电子封装与测试》课程作为“微电子学”专业的主干课程，其重要性更是得到了专业教师的普遍认可。

 

篇（8）

【中图分类号】 TN707 【文献标识码】 B【文章编号】 1671-1297（2012）09-0201-02

一 调试的目的

调试的目的主要有两个方面，一发现设计的缺陷和安装的错误，并改进与纠正，或提出改进意见；通过调整电路参数，避免因元器件参数或装配工艺不一致，而造成电路性能的 不一致或功能和技术指标达不到设计要求的情况发生，确保产品的各项功能和性能指标均达到设计要求。

二 调试要点

电子产品是由众多的元器件组成的，由于各元器件性能参数具有很大的离散性（允许误差），电路设计的近似性，再加上生产过程中其他随时因素（如存在分布参数等）的影响，使得装配完的产品在性能方面有较大的差异，通常达不到设计规定的功能和性能指标，这就是整机装配完毕后必须进行调试（测试与调整）的原因。

三 调试技术方法

调试技术包括调整和测试（检验）两部分内容。调整：主要是对电路参数的调整。一般是对电路中可调元器件，如可调电阻、可调电容、可调电感等以及机械部分进行调整，使电路达到预定的功能和性能要求；测试：主要是对电路的各项技术指标和功能进行测试和试验，并同设计的性能指标进行比较，以确定电路是否合格。它是电路调整的依据，又是检验结论的判断依据。实际上，电子产品的调整和测试是同时进行的，要经过反复的调整和测试，产品的性能才能达到预期的目标。

调试的过程分为通电前的检查（调试准备）和通电调试两大阶段。对于较复杂的产品，还可进一步分为单元部件（单板）调试和整机调试两大阶段。

通电前的检查（调试准备）。在电路板安装完毕进行测试前，必须在不通电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便发现和纠正比较明显的安装错误，避免盲目通电可能造成的电路损坏。重点检查的项目有：电源的正、负极是否接反，有、无短路现象，电源线、地线是否接触可靠。（可以万用表进行检查）；元器件的型号（参数）是否有误、引脚之间有、无短路现象。有极性的元器件，如二极管、晶体管、电解电容、集成电路等的极性或方向是否正确；连接导线有无接错、漏接、短线等现象；电路板各焊接点有无漏焊、桥接短路等现象；用万用表的欧姆挡，测量电源的正、负极之间的正、反向电阻值，以判断是否存在严重的短路现象。

通电调试，通电调试包括测试和调整两个方面。测试的目的是了解电路实际工作状态，获得电路各项主要性能指标的数据，提供调整电路的依据。调整的目的是：使电路性能达到设计要求。较复杂的电路调试通常采用先分块调试，然后进行总调试。通电调试一般包括通电观察、静态调试和动态调试。通电观察。将符合要求的电源正确地接入被测电路，观察有无异常现象，如发现电路冒烟、有异常气味以及元器件发烫等现象，应立即切断电源，检查电路。排除故障后，方可重新接通电源进行测试；静态调试。静态调试是指在不加输入信号（或输入信号为零）的情况下，进行电路直流工作状态的测量和调整。模拟电路的静态测试就是测量电路的静态直流工作点；数字电路的静态测试就是输入端设置成符合要求的高（或低）电平，测量电路各点的电位值及逻辑关系等。通过静态测试，可以及时发现一损坏的元器件，判断电路工作情况并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求；动态调试。动态调试就是在电路的输入端接入适当频率和幅度的信号，循者信号的流向逐级检测电路个测点的信号波形和有关参数，并通过计算测量的结果来估算电路性能指标，必要时进行适当的调整，使指标达到要求。若发现工作不正常，应先排除故障，然后再进行动态测试和调整。

动态调整必须在静态调试合格的情况下进行；整机调试。整机调试是在单元部件调试的基础上进行的。各单元部件的综合测试合格后，装配成整机或系统。整机调试的过程包括：外观检查、结构调试、通电坚持、电源调试、整机统调、整机技术指标综合测试及例行试验等。

四 整机调试过程中的故障分析

电子产品调试过程中，经常会遇到调试失败的情况，甚至可能出现一些致命故障，如通电后，烧熔断丝、冒烟、打火、漏电等。造成电路无法正常工作。故电子线路故障的分析与处理也是电子产品调试工作中经常会遇到的问题，通过对所遇到的实际问题的分析与处理，可培养我们独立分析问题和解决问题的能力。

调试过程中所遇到的故障有其自身的特点：由于故障机是新装配的整机产品，或没有使用过，或是还不成熟的新产品样机等原因，故障以焊接和装配故障为主；一般都是机内故障，基本上不会出现几外及使用不当造成的人为故障，更不会有元器件老化故障。对于新产品样机，则可能存在特有的设计缺陷或元器件参数不合理的故障。故障的出现有一定的规律性，找出故障出现的规律，便能有效、快捷地检找和排除故障。

一般来说故障的原因主要有以下几种，焊接故障：如漏焊、虚焊、错焊、桥接等；装配故障：机械安装位置不当、错位、卡死等；电气连接错误：如集成块装反、二极管、晶体管的电极装错，其它有极性的元件（如电解电容）极性装反；元器件位置错误；漏装等；元器件失效：如集成电路损坏、晶体管击穿或元器件参数达不到要求；电路设计不当或元器件参数不合理造成的故障，这是样机特有的故障。这类故障查找出原因后，采用临时应急措施使产品的各项性能指标达到要求，并将结果写成样机调试报告，供设计生产部门参考。

五 整机调试过程中的故障处理的步骤

故障处理的步骤是先查找、分析出故障的原因，判断故障发生的部位，然后排除故障，最后对修复的整机的各项功能和性能进行全面检验。

故障处理一般可分为四步：观察，首先对被检查电路表面状况进行直接观察，从而发现问题，找出故障点。直接观察可在不通电和通电两种情况下进行。对于新安装的电路，首先要在不通电的情况下，认真检查电路是否有元件用错、元件引脚接错、元器件损坏、掉线、断线，有没有接触不良等现象。对于不能正常工作的电路，应在不通电的情况下观察被检修电路的表面，可能会发现变压器、电阻烧焦，晶体管断极，电容漏油，元器件脱焊，插件接触不良等。

参考文献

[1] 胡明主编.电子器件导论.北京理工大学出版社，1998年

[2] 杨颂华主编.数字电子技术基础.西安电子科技大学出版，1997年

[3] 刘华东主编.单片机原理与应用.电子工业出版社，2003年

篇（9）

1 引言

近50年来，随着无线通信技术的不断发展，射频能量正在从世界各地数十亿的无线电发射器中发射而出，这些发射器包括移动电话、移动电话基站和电视/电台信号发射基站等。因此，利用射频能量来为一些低功耗电路供电已经成为一种趋势。图1给出了频率分布的范围，由此可见，射频能量中有很大一部分是可以被收集的。

利用这些能量为设备供电能够降低设备对电池的需求，同时可以使拥有电池的设备充电去延长电池的使用时间，也可延长一次性电池的使用寿命；无电池的设备可以设计成一种得到能量就能运行或有足够的充电累积就会运行的结构。这一技术的优点在于其能够利用例如基站和手机等无线发射器产生的“免费”能量，射频能量发射器将会随着用户的增加而持续增加，特别是宽带移动用户的增加，已经接近10亿。移动电话作为射频能量的发射源的主体，将有可能为各种近距离传感器应用提供能量。在一些城市中，人们已经可以从一个位置检测出很多WIFI发射器发射出来的射频信号了。在近距离情况下，比如室内无线局域网络，人们可以很容易的从一个路由器获取100mW的功率。当然，对于远距离的射频能量信号，则需要使用拥有更宽频带的装置去收集。

为了试验射频能量收集的可行性，需要在不同的位置对可用的射频能量进行测试。在结合收集器性能方面知识的情况下，可以确定射频能量收集装置部署的地点。然而缺乏对能量水平和特定时间、位置等因素的认识限制了射频能量收集开发的应用范围。

在低输入射频功率转换效率进步的情况下，已经有少数针对射频能量收集的报道。例如：一种比较有效的硅整流二极管天线，利用的是改进的全贴片天线，在射频输入功率为-20dBm时的转换效率达到18%。在东京做过的一个试验是从一个频率为845MHz的移动电话基站收集射频能量，在收集能量长达65小时以后，这些能量能够使液晶温度计工作4分钟 。

在20世纪90年代后期，射频能量发射设备的增加和低功耗消费类电子产品的使用为射频能量收集的研究提供了基础。在前期的工作中，Hagery等人提出了一种宽带整流天线阵列，试图收集频率范围在2-18GHz的射频能量。Powercast公司在2005年做过一个试验：在1.5英里外，用了一个小功率（5kW AM）的无线电发射站作为基站来获取射频能量。然而，这些系统并未发展到实际应用。

2 基本原理

射频能量信号是通过天线接收的，所以天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同，射频信号通过天线接收后既可以用在RF-DC转换器上又可以用在单纯的RF应用上；RF-DC转换器将RF信号转换为DC信号，从而可以将获取的能量存储在能量储存装置中；能量储存装置可以给RF-DC转换器、RF装置、低功耗应用提供能量。射频能量收集系统示意图如图2所示。

2.1 天线

图3为天线示意图。发射信号的天线有很多种，如手机基站、电视信号发射塔和WIFI路由器等；接收信号的天线则属于射频能量收集器的一部分，通过它接收外界的射频信号来进行后续工作。

在任何移动设备中天线的设计都是相当重要的。平面贴片天线是一种形状适宜、重量轻、易于操作的天线。然而，其本身却也不那么小。

一种减小天线尺寸的方法是在高介电常数的材料上制备贴片天线（这里使用的是Rogers RO6010，εr=10.2，d=2.54mm）。图4是测量的是频率为2.45 GHz天线的增益。一般来说，单个的天线不能收集到足够的能量去驱动一个器件，多天线结构可以获取一个更大范围的射频能量。

2.1.1 电视信号

如图5所示为Digital-TV能量收集装置原理图，该装置在不使用任何电池的情况下从6.3千米以外的广播电视塔收集射频信号能量，利用这些能量能够使一个输入电压为1.8V的单片机进行工作。在东京和亚特兰大，使用型号为NARDA SRM-300的测试仪对50-900MHz范围内的无线频谱进行了测量，结果如图6所示：Digital-TV频率范围较广且信号强度较强，因此对其信号能量进行收集相对来说较为容易。

VYAS R J等人设计了一种嵌入式传感器平台，这种结构收集数字电视射频信号能量，将所收集到的能量存储在一个100uf的MLCC里，在不使用任何电池的情况下，利用这些收集到的能量能够为一个型号PIC24F、输入电压1.8V、16位的单片机供电并维持其正常工作。该能量收集器的功率可达到-18.86dBm。

2.1.2 WIFI信号

美国俄亥俄州立大学的OLGUN U等人针对无线传感器等无线设备的应用需要，设计了一种新型射频能量收集装置，通过对频率为2.45 GHz的 WiFi信号能量进行为时20分钟的收集转换，可以输出最大值为20μA的电流，这能使带有LCD显示装置的室内外温湿度监测器持续工作10分钟。这次试验测量了在办公室中三个正交方向和几个点的WIFI信号。图7为使用这种测量方法对WIFI信号强度进行为时2分钟测量的信号强度图，可以看出利用这种方法能够收集到相当大量的射频能量。

表1总结了能量收集装置最终的测量结果，可以看出该装置可以像电池那样对负载提供电压。最终的结果显示，即使当接收的能量低到-40dBm时还是能产生直流电压。所以，即使在能量非常小的时候它也是可以运行的。

2.1.3 GSM信号

由于移动电话的数量众多且大多数时间是在白天使用的，因此在白天所收集到的射频能量会比夜间要多。为了能够在不同位置之间进行公平的比较，在2012年4月4日到2012年5月5日期间，每个工作日的上午十点到下午三点进行了测量，测量频率为0.3-2.5GHz，使用的仪器为安捷伦N9912A、BICOLOG20300全方位天线。如图8所示是在北伦敦地铁外测量的射频功率密度分布图，从图中能够很清楚地分辨出DTV、GSM900、GSM1800、3G和WIFI信号的带宽。

一个设计良好的天线应该能够具有获取整个频带能量的功能，这对于计算整个频带的能量是非常重要的。输入射频功率密度是在结合了所有频谱后计算出来的。2013年，Teck Beng Lim等人在新加坡南洋理工大学对GSM900和GSM1800这两种信号的能量密度进行了测量。测量过程中使用的是Rohde&Schwarz FSV信号分析仪、频率为900MHz和1800MHz的伸缩天线。从图9中可以很清楚的看到六个峰值点是要收集的能量，这些峰值的带宽通常都很窄；图10中给出的是GSM1800的能量密度：可以看到，GSM1800的带宽更宽，这看起来更有利于能量的收集，但GSM1800的峰值要比GSM900低很多。

2.2 RF-DC转换电路

RF-DC转换电路是能量收集器的核心部分，主要功能是将接收到的射频信号转换为直流信号。电路主要由阻抗匹配、整流器和电源管理三部分组成。

通常来说用单个硅整流天线二极管为设备提供能量是远远不够的，使用多个相互连接的天线可以提供足够的能量。如图11（a）所示，一种结构是在整流器前并联多个天线，汇总RF信号再进行整流。在点对点的射频系统中（窄基带），这种结构的能量转移是最有效的；如图11（b）所示，另一种结构则是每个天线对应一个整流器，先进行整流再汇总直流信号，对于大型硅整流二极管天线和射频能量收集（消除随机偏振的影响），这种结构是最合适的。

如图12为射频整流电路工作原理图，射频信号负向流入时（a）：当VN-1 > Vd+ VRF时，M2N-1管开启，这时由于VKVN时，M2N管开启，充电电流IN从电容CH（N）流入电容CV（N），在这个过程的最后阶段，电容CV（V-1）里面的电荷已经转移到电容CV（N）中。

电源管理部分示意图如图13所示，当M管关闭时，电流顺时针流过电感并产生一个磁场，电感左侧为正极；当M管开启时，由于阻抗较高，电流将因此减小。为保持负载有持续的电流流过，先前产生的磁场的磁极将会逆转（现在电感左侧为负极），这样就变成了两个串联在一起的电源。这个串联的电源产生更高的电压并通过二极管D给电容C充电。如果M管开关周期很短，电感在两次充电过程之间将不会完全放电，所以当M管开启时，负载两端电压总会比电源输入电压要高。当M管开启时，与负载并联的电容将会充电，随着M管的关闭，右侧电路被短接，这样电容就能够为负载提供能量，同时二极管的存在也保证了电流不会流过左侧电路。为了防止电容放电过多，M管必须要很快的下一次开启。

2.2.1 二极管的选择

能量收集电路一个很重要的要求是工作在低输入射频功率下。从天线获得的直流信号的峰值电压一般来说都远小于二极管的阈值电压，最好的情况是具有低开启电压的二极管。而且，由于能量收集电路工作在高频率状态下，需要使用一个开关时间很短的二极管。肖特基二极管是用一个金属-半导体PN结的二极管，这能让PN结工作更快，且正向压降只有0.15V。在实验中，用了两个Avago Technologies二极管，HSMS-2822和HSMS-2852。前一个开启电压为340mV，后一个为150mV。HSMS-2852适合LPD在射频能量很弱的环境下使用，而HSMS-2822适合HPD工作在RF能量很强的环境下。饱和电流是另一个影响二极管性能的重要参数，希望二极管有高饱和电流，低结电容，低等效串联电阻（ESR）。此外，拥有更好的饱和电流的二极管能够产生更好的正向电流，这有利于驱动负载。

虽然肖特基二极管具有很好的特性，但它很难被集成到芯片内部，所以需要用MOS管将其替代。如图14所示，MOS管栅极接地，负载为电容。理想情况下，Φ1时间段，当RFIN+>V0时，电流流入电容并给电容充电；在Φ2时间段，当RFIN+

2.2.2 级数

输出电压与能量收集电路的倍压器级数成正比。然而，实际约束限制了级数，也就限制了输出电压。由于每级电容存在寄生电容的影响，随着级数的增加，电压增益会减小，最后都可以忽略不计了。图15和图16表示了级数对效率和电压的影响。采用ADS 射频输入功率从-20dBm到20dBm和级数从1到9的模式，电路级数越多，效率就越高。然而，级数越多，效率曲线的峰值就越偏向更高功率区域。电压曲线显示，随着电路级数的增加装置能获得更高的电压，但是在低功率区域功率损耗也相应的增加。

对于能量收集电路，负载阻抗的选择是很重要的，对电路性能的影响如图17所示。如果负载值太低或者太高电路的效率就会降低。该图是对五级电路进行测量后的结果，每一级都是改进的串联排列的HSMS-2852倍压器。

2.2.3 RF输入功率的影响

由于能量收集电路包括二极管，二极管本身是非线性器件，因此电路本身表现出非线性。这意味着能量收集电路的阻抗会随着从天线接收到的功率的变化而改变。当电路和天线匹配的时候，能够达到最大功率传输效果，在特定的输入功率表现出阻抗匹配。

图18描绘了射频输入能量从-20dBm到20dBm对能量收集电路阻抗的影响。工作时的非线性表现在5dBm处有个拐点。

2.3 能量储存

在能量储存方面可以利用传统的充电电池、新型薄膜电池以及电容对能量进行储存。但电池存在可充电次数有限，需要更换等缺点。这就需要考虑采用新的存储方案，例如使用超级电容。传统超级电容为电化学双层电容器（EDLC），这种电容已经有30多年的使用历史了。EDLC是在必须被频繁更换的电池与在使用封装下无法提供足够电荷存储的静电/电解电容之间的最好产品。

3 重点难点

设计能量收集器的难点有三个，分别是天线、灵敏度和转换效率。

就天线而言，虽然科学工作者经过多年努力已经在设计技术方面取得了不小的成果，但是天线的小型化、宽频带问题仍是射频能量收集技术的关键。原因是要将其应用在较小的设备上就必须要求天线小型化，占用空间小；其次，空间中的射频能量比较低，所分布频带比较散，所以要求天线必须具有宽频带的特点。

就灵敏度而言，灵敏度决定了能量收集器工作的最大范围。射频能量比较低时，对其进行收集需要灵敏度较高的射频能量收集器。影响灵敏度的因素主要有：天线与整流器之间的匹配情况、整流器件阈值电压的影响等。经科研工作者不断努力，灵敏度虽已得到提高，但前提是需要使用几十级的整流电路，这就导致芯片面积增加、寄生参数增加等一系列问题。

就转换效率而言，功率转换效率是收集器的一个重要指标，当射频信号能量比较低时转换效率会迅速降低。目前提高效率的方法有采用外部阈值、内部阈值、自阈值的补偿以实现对整流MOS管进行阈值补偿加快其导通速度等方法。但这些技术效果还不是很理想，需要进一步改进或者发展其他新方法。

4 结论

在当今科技如此发达的社会，射频能量几乎无处不在，特别是在城区内，这使得收集射频能量来供给一些低功耗电子产品供电的概念成为可能。本文通过对已有的、应用在射频能量收集器上的天线、RF-DC转换电路、电源管理电路进行了总结与分析。然而，天线、灵敏度和转换效率等几个重点问题仍亟待解决。

参考文献

[1]U.OLGUN C.-C，CHEN J.L，VOLAKIS. “Design of an efficient ambient WiFi energy harvesting system”.IET Microwaves， Antennas & Propagation， 10.1049/iet-map.2012.0129.

[2]UGUR OLGUN，CHI-CHIH Chen，John L. VOLAKIS.“Investigation of Rectenna Array Configurations for Enhanced RF Power Harvesting”，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，Vol. 10，2011.

[3]VYAS R J，COOK B B，KAWAHARA Y，et al.“A Batteryless Embedded Sensor Platform Wirelessly Powered From Ambient Digital-TV Signals”.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2013， 61（06）：2491-2505.

[4]RUSSOM， SOLIC P，STELLA M. “Probabilistic Modeling of Harvested GSM Energy and its Application in Extending UHF RFID Tags Reading Range”.[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2013，27（04）：473-484.

[5]TECK BENG LIM， NGAI MENG LEE， BOON KIAT POH.“Feasibility Study on Ambient RF Energy Harvesting for Wireless Sensor Network”.IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies for Biomedical and Healthcare Applications，Vol.15， NO.1， September 2013.

[6]THUREIN PAING，EREZ FALKENSTEIN，REGAN ZANE， et al.“Custom IC for Ultra-low Power RF Energy Harvesting”.IEEE vol.28，no.5， May.2009.

[7]HUGO GONC，ALVES，JORGE FERNANDES， MIGUEL MARTINS，“A Study on MOSFET Rectifiers Maximum Output Voltage for RF Power Harvesting Circuits”. IEEE，May.2013.

[8]PRUSAYON NINTANAVONGSA， UFUK MUNCUK， DAVID RICHARD LEWIS，et al.“Design Optimization and Implementation for RF Energy Harvesting Circuits”.IEEE Journal on emerging and selected topics in circuits and system，Vol.2，NO.1， March 2012.

作者简介

田龙（1988-），男，河北省人。硕士研究生学历。研究方向为集成电路设计。

刘征（1989-），男，天津市人。硕士研究生学历。研究方向为集成电路设计。

鞠家欣（1972-），男，黑龙江省人。博士研究生学历。主要研究方向为集成电路设计。

篇（10）

中图分类号：TP206+3 文献标识码：B

前言

真空荧光显示屏VFD（vacuum fluorescent display）是1967年日本伊势电子株式会社中村先生为首的研究小组发明的一种平板显示器件，VFD是一种特殊的真空管，有二极管和三极管两种。由发射电子的阴极（直热式灯丝）、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻盖等构成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自发光显示器件，可显示数字、字符、图形、点阵等。VFD具有发光亮度高、色泽鲜艳、显示内容丰富清晰、功耗低、寿命长以及制作成本低等无可替代的优越性，目前在工业、商业特别是家用电器数字化产品领域得到了广泛应用。

薄膜基板导电线路通常采用丝网漏印银浆或真空镀膜后光刻工艺。丝网漏印的线宽和间距一般小于0.075mm，镀膜光刻的线宽和间距一般小于0.025mm。因为尺寸较小，生产过程极易造成导电线路的短接或断线，由于这两种原因造成产品的报废率占不良产品的80%以上，所以它是工序重要控制点。通常规模较大的厂家一般都有较好的检测设备，但是对于许多中小类型的VFD厂家，基本都采用人工肉眼检查，需要较多的检验人员，且漏检率较高，有了问题，到生产后期才发现，结果只能报废。本文采用单片机配合探针群进行检测，能够显示那一根导电线路开路或和别的导电线路短路，就算不能返修，也能提早发现，把损失降到最低。

1电路设计

1．1电路总体框图

如图1，其中探针群是在绝缘有机玻璃板上，按1：1导电线路的位置，在引线两端各钻一个小孔，将探针固定在上面。导电线路的一端加5V驱动电压，另一端接20K欧电阻接地，同时接电阻这一端又是取样信号输出。

1．2电路工作原理

如图2，在检测时，按一下开关K，给单片机一个低电平触发信号。由单片机控制将5V驱动电压从第一路开始，顺序加在每一路的导电线路上。单片机依次扫描所有的输出端口，当任一导电线路加上驱动电压后，因为导电线路的电阻还不到10Ω，当导电线路正常时，只有该路输出为高电平；若导电线断线时，该路输出为低电平；当导电线路之间发生短路时，其它端口也会出现高电平。

通常对于大多数的VFD来说，其导电线路的路数不会太多，因此我们的系统设计为64路，当一些的导电线路超过64路时，可以用两套系统交叠使用。

在检测系统中，一片三端稳压集成电路LM7805提供5V电源给所有的用电。AT89C52的P0口外接8个3K上拉电阻，其中P0.0～P0.3送地址信号给4-16线译码器CD4514B，P0.4～P0.7为4片译码器的片选控制端，当P3.2输入低电平启动触发信号后，CD4514B顺序输出高电平。P1口与取样单元相连。P1.0～P1.3送信号给16选1集成电路74HC150的4个地址输入端，P1.4～P1.7为4片16选1集成电路的片选控制端，74HC150的输出端接到P3.3口。P2为显示输出端口。利用虚拟串行方式把路数序号经过串入并出锁存器74HC595驱动两片7段LED数码管进行显示。三个红、黄、绿LED指示灯接到P2.5～P2.7口，分别表示VFD薄膜基板导电线路的开路、与别的导电线路短路和导电线路正常三种状态。

2程序设计

检测电路的主要软件流程如图3，驱动信号每输出一路高电平，单片机逐一扫描后续的输出端口。

当所检测的对应线路输入为高电平，其余线路的输入为低电平，P2.5=0，P2.6=0，P2.7=1，绿色LED指示灯亮，表示该导电线路正常。继续检测下一路导电线路。当所检测的对应线路输入为高电平，其余线路的输入有出现高电平时，P2.5=0，P2.6=1，P2.7=0，黄色LED指示灯亮，表示该导电线路发生短路现象。LED数码管显示发生故障路数序号。单片机不再往下执行程序。当所检测的对应线路输入为低电平，P2.5=1，P2.6=0，P2.7=0，红色LED指示灯亮，表示该导电线路发生断路现象。LED数码管显示发生故障路数序号。单片机也不再往下执行程序。

单片机通过P3.0和P3.1串行口外接RS232和RS485可以和上位机通讯。

若实际导电线路的路数小于64路，当检测完后，虽然红色LED指示灯也会亮，但这时LED数码管显示发生故障路数序号将大于实际导电线路的路数，可认为该产品是合格的。

3结论

本文提出的VFD基板导电线路检测系统具有结构简单，经过一段时间的实际应用表明，该系统的工作可靠性高，使用方便，能有效地降低漏检率，提高工作效率。可适用于各种规格的VFD基板导电线路检测。

参考文献

[1] 阮世平.高性能真空荧光显示器开发和应用[J].光电子技术，2005,(4).

[2] 余理富.信息显示技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 应根裕，胡文波，邱勇.平板显示技术[M].北京：人民邮电出版社，2002.

篇（11）

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）36-0084-02

电工学是一门非电专业的技术基础课程，其基本内容是电工技术和电子技术，主要任务是为学生学习专业知识和从事工程技术工作打好基础，并使他们受到必要的基本技能的训练。集成运算放大器（简称集成运放）是模拟电子技术中的重要器件，是几乎目前所有的电子设备中都要用到的基本器件。集成运放是电工学中的重点知识，且种类繁多，从而对课堂教学提出了较高的要求。本文结合电工学课程教学实践，探讨基尔霍夫电流定律（简称KCL）在集成运放课程教学中的应用。

一、集成运放

运算放大器（简称运放）是一种直流耦合、差模（差动模式）输入、通常为单端输出的高增益电压放大器，因为刚开始主要用于加法、减法等模拟运算电路中，因而得名。集成运算放大器（简称集成运放）是用集成电路工艺制成的运算放大器，与分立元件组成的放大电路相比，集成运放具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠、安装方便、价格便宜等众多优势，因而在模拟运算、信号处理等领域都有着广泛的用途。虚短、虚断是模拟电路中理想集成运放的两个重要概念。集成运放工作在线性区时，由于运放的开环电压放大倍数很大，运放的差模输入电压通常不足1mV，可以认为两个输入端的电位相等u+=u-，即反相与同相输入端之间相当于短路，但事实上并没有短路，称为“虚短”；由于运放的差模输入电阻很大，一般集成运放的输入电阻都在1MΩ以上，因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流，故通常认为反相与同相输入端之间相当于断路，i+=i-≈0，但事实上并没有断路，称为“虚断”。

二、基尔霍夫电流定律

基尔霍夫定律概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律，是分析和计算电路的基本依据。基尔霍夫电流定律（简称KCL）是用来确定连接在同一结点上的各支路电流间关系的。由于电流的连续性，电路中任何一点（包括结点在内）均不能堆积电荷。因此，在任一瞬间，流入某一结点的电流之和应该等于由该结点流出的电流之和。

三、利用基尔霍夫电流定律分析运算电路

本论文基于秦曾煌主编的第七版《电工学》教材[1]，从基尔霍夫电流定律（KCL）出发，分析了反相比例、同相比例、加法、减法等四种由集成运放组成的运算电路，均采用相同的电路分析步骤：（1）应用KCL和虚断条件i+=i-≈0列结点电流方程；（2）应用欧姆定律将电流方程转换成电压方程；（3）应用虚短条件u+=u-简化电压方程；（4）得到输出电压u■和输入电压u1二者之间的关系。

（一）反相比例运算电路

反相比例运算电路如图1所示，输入信号u1经输入端电阻R1接到反相输入端，而同相输入端通过电阻R2接地，反馈电阻RF连接在输出端和反相输入端之间。

根据i+=i-≈0，可以得到结点a处的电流关系：iI=iF，根据欧姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了输入电压u■和输出电压u■之外，还有一个未知量u■，根据u■=u+=-i+R2=0，可以将上式简化为：

■=■，

即可得到输出电压u■和输入电压u■二者之间的关系：

u■=-■uI。

（二）同相比例运算电路

同相比例运算电路如图2所示，输入信号u■经电阻R2接到同相输入端u+，而反相输入端通过输入端电阻R1接地，反馈电阻RF连接在输出端和反相输入端之间。

根据i+=i-≈0，可以得到结点a处的电流关系：iI=iF，根据欧姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了输出电压u■之外，还有一个未知量u■，根据u■=u+=u■-i+R2=u■，可以将上式简化为：

■=■，

即可得到输出电压u■和输入电压u■二者之间的关系：

u■=1+■u■。

（三）加法运算电路

反相加法运算电路如图3所示，输入信号u■1、u■2分别经输入端电阻R11、R12接到反相输入端，而同相输入端通过R2接地，反馈电阻RF连接在输出端和反相输入端之间。

根据i+=i-≈0，可以得到结点a处的电流关系：i■1+i■2=iF，根据欧姆定律可以得到：

■+■=■，

上式中除了输入电压u■1、u■2和输出电压u■之外，还有一个未知量u■，根据u■=u+=-i+R2=0，可以将上式简化为：

■+■=■，

即可得到输出电压u■和输入电压u■1、u■2二者之间的关系：

u■=-■u■+■u■。

（四）减法运算电路

减法运算电路如图4所示，输入信号u■经输入端电阻R1接到反相输入端，u■经电阻R2、R3接到同相输入端，反馈电阻RF连接在输出端和反相输入端之间。

根据i+=i-≈0，可以得到结点a处的电流关系：iI=iF，根据欧姆定律可以得到：

■=■，

上式中除了输入电压u■1和输出电压u■之外，还有一个未知量u■，u■和u■之间满足关系：u■=u+=■u■，

即可得到输出电压u■和输入电压u■1、u■二者之间的关系：u■=-■u■+1+■u■。

四、结论

综上所述，本文从基尔霍夫电流定律（KCL）出发，分析了反相比例、同相比例、加法、减法等四种由集成运放组成的运算电路，该方法具有简单可行、可操作性强等优点。此外，KCL还可以应用在基本放大电路的动态分析中，例如输入、输出电阻。实践证明，该方法可以提高课堂教学效果和学生的学习兴趣，调动学生的主观能动性，学生评价较好。

参考文献：